Акустическое оформление ас. Акустическая система своими руками: выбор динамиков, акустического оформления, изготовление Акустическая ас

Акустическая система по-прежнему остается самым консервативным звеном в цепи звуковоспроизведения. В подавляющем большинстве моделей в качестве электроакустических преобразователей используются электродинамические головки. В них диффузор приводится в движение за счет взаимодействия тока, протекающего по звуковой катушке, с полем магнитной системы.

Звуковая волна, которую мы в результате и слышим, возникает благодаря колебанию конуса диффузора. Для правильного воспроизведения требуется, чтобы для всех слышимых частот звуковое давление было одинаково. Однако если взглянуть на частотную характеристику громкоговорителя, свободно подвешенного в пространстве, то обнаружится, что при понижении частоты сигнала, начиная с некоторого ее значения, уровень давления будет плавно падать. Принципиальная проблема всех громкоговорителей заключается в том, что они излучают звук как вперед, так и назад с одинаковой интенсивностью. Звук распространяется в воздухе с постоянной скоростью, и поскольку сами излучатели относительно малы по сравнению с длиной волны на низких частотах, излучение спереди и сзади от диффузора взаимно компенсирует друг друга. Этот эффект называется акустическим коротким замыканием. На высоких частотах длина волны мала, и волна не успевает обогнуть головку за один период колебания, и излучаемая энергия увеличивается. Граничная частота, ниже которой эффективность головки падает, зависит от размеров диффузора и определяется конечным значением скорости звука в воздухе. Например, для головки диаметром 20 см спад начинается ниже одного 1 кГц. С уменьшением диаметра частота повышается.

Наиболее распространенные варианты акустического оформления

Низкочастотных громкоговорителей:

1. закрытое;
2. фазоинвертор с простым отверстием, в которое может быть помещен пассивный радиатор;
3. самый распространенный фазоинвертор в виде трубы;
4. лабиринт – технически сложное и дорогое решение

Чтобы исключить акустическое замыкание, динамической головке создают акустическое оформление, то есть помещают в корпус. Самое простое оформление открытое, когда задняя стенка у прямоугольного корпуса просто отсутствует или представляет собой перфорированную панель. У автономных акустических систем для высококачественного воспроизведения такое оформление не встречается, но у большинства телевизоров, переносных магнитол и радиоприемников акустическое оформление — открытое. Основное достоинство такого оформления в том, что оно не повышает резонансной частоты головки, ниже которого головка просто не работает. А самый серьезный недостаток — относительно большие размеры, когда требуется воспроизведение низших частот звукового диапазона.

Характеристика акустики в области низких частот должна быть максимально гладкой, чтобы при воспроизведении импульсов, а музыка — это практически одни импульсы, не появлялось дополнительных призвуков и послезвучания. Если произвести расчет объема акустической системы, то для современных головок он будет чрезмерно большим — порядка 150 литров, что абсолютно неприемлемо для современной квартиры по эстетическим соображениям.

Поскольку при колебании диффузора задняя сторона излучает половину акустической мощности, а в закрытой акустике эта мощность пропадает, интересно попытаться ее использовать. Для этого нужно найти способ изменить фазу звуковой волны от задней стороны на противоположную, и тогда при достижении плоскости передней панели произойдет акустическое сложение, а не вычитание. Решение было предложено очень давно (еще в 1937 году) и получило название акустического оформления с фазоинвертором. Однако монополию открытых систем нарушило сначала закрытое акустическое оформление, когда головка помещалась в закрытый корпус. Пионером такой конструкции принято считать Acoustic Research, выпустившую в 50-х годах прошлого века первую закрытую акустическую систему AR1. А ее двухполосная система AR2a (появилась в 1957 году) считается родоначальницей всей полочной акустики.

Современный громкоговоритель — крайне неэффективное электродинамическое устройство. Он преобразует в зависимости от конструкции в акустическую мощность только от 0,25 до 2,5% подводимой электрической мощности. Остальная мощность выделяется в виде тепла.

Для закрытых систем крутизна спада ниже частоты резонанса составляет 12 дБ на октаву. Такой спад можно частично компенсировать расположением акустической системы в помещении относительно стен. Кроме того, регуляторы тембра, выполненные по классической схеме, имеют характеристику с таким же наклоном и также позволяют компенсировать спад АЧХ в области НЧ. Однако подъем более чем на 6 дБ невозможен, поскольку при дальнейшем увеличении вступает в силу фактор максимальной подводимой мощности, превышение которой может вызвать механическое разрушение головки из-за перегрева звуковой катушки. Поэтому максимальная подводимая мощность оказывается одним из главных параметров, определяющих низкочастотную границу воспроизводимых акустической системой частот.

Простейший конструктивный вариант фазоинвертора — это отверстие (порт). Однако на практике такое решение используется редко. Поскольку параметры воздуха зависят от атмосферных условий (температуры и влажности), то порт можно закрыть пассивным радиатором. Но значительно чаще фазоинвертор выполняется в виде трубы. В этом случае, кроме головки и воздуха в корпусе, добавляется еще и объем воздуха в трубе.

Другой способ заставить работать звуковой фронт, излучаемый задней стороной диффузора, — это лабиринт, изогнутый вариант длинной линии. Но такая конструкция получается очень сложной, особенно если учесть, что общая длина лабиринта получается более двух метров, а значит, дорогой. Порт фазоинвертора может располагаться как на передней стенке корпуса (что более правильно), так и на задней. Для напольных моделей встречается и донный вариант, когда порт работает в пол. Понятно, что полочную акустику с портом на задней стенке нельзя устанавливать на полку (отверстие фазоинвертора будет закрыто, и он не будет работать), а только на подставки. При этом теряется вся прелесть ее компактности.

Несмотря на широкое распространение акустического оформления с фазоинвертором (если посмотреть наши тесты за последние два года, то едва ли не единственной акустической системой с закрытым оформлением окажется полочная Yamaha NS-6940), оно имеет ряд недостатков. Основная проблема оформления с фазоинвертором — это увеличение коэффициента нелинейных искажений на низких частотах по сравнению с закрытыми системами. Поскольку все результаты измерений акустических систем опубликованы в журнале, то можно легко оценить уровень КНИ в области работы фазоинвертора.Современные акустические системы строятся исходя не из законов физики, а в угоду требованиям моды интерьерного дизайна. Для качественного (в первую очередь без искажений) воспроизведения низких частот нужна головка с большим диффузором, размещенная в ящике большого объема. Снижение граничной частоты акустической системы на треть октавы в области 50 Гц потребует удвоения объема корпуса. Это, собственно, и имеет место в столь многочисленных ныне сабвуферах. Последний пример — новый сабвуфер фирмы Cabasse.

Еще одна особенность фазоинвертора — акустический шум. Причина в возникновении завихрений на выходе из порта. Существенно снизить шум путем выравнивания потока на выходе можно, изменив форму раскрыва трубы фазоинвертора. Специальные меры для создания нешумящих портов применяют многие изготовители акустики, среди которых B&W, JBL, Infinity, Polk и другие.

Можно высказать еще одно предположение, почему получили распространение малогабаритные АС с фазоинвертором. Поскольку большинство из них воспроизводит не музыкальные звуки, а низкочастотные эффекты, без которых немыслим домашний кинотеатр, то их специфический окрас (за счет относительно больших искажений в НЧ-области) придает их звучанию неестественную сочность и гипертрофированную живость. Это то и делает их более привлекательными если не в глазах (или, точнее, ушах) покупателей, то в умах маркетологов фирм-призводителей и продавцов.

Из журнала Stereo&Video

Важнейший показатель качества акустических систем (АС) - их способность воспроизводить без искажений весь динамический диапазон реальных музыкальных сигналов. Количественная его оценка - максимальный уровень развиваемого АС звукового давления : max SPL=S+10 lgP/Po (S--характеристическая чувствительность, дБ/Вт/м; Р - кратковременная (музыкальная) мощность, Вт; Po - 1 Вт). У широко распространенной AC 35AC-012 значение указанного параметра достигает 105, а у 100АС-003 - 109 дБ, при одинаковой характеристической чувствительности - 86 дБ/Вт/м. Для высококачественных зарубежных АС эта величина не менее 107...109 дБ . Известно, что эмоциональное воздействие музыки, звучащей в концертных залах, много сильнее, чем той же музыкальной программы, воспроизведенной бытовой АС в домашних условиях. По нашему мнению, это связано, прежде всего, с тем, что динамический диапазон и максимальный уровень звукового давления, обеспечиваемый бытовыми АС, заметно хуже, чем аналогичные показатели музыкальных инструментов, звучащих в концертных залах. Существующие рекомендации по выбору мощности электроакустических устройств не позволяют получить динамический диапазон, требуемый для высококачественного звуковоспроизведения. Так пиковые уровни звукового давления Lп, создаваемого в первых рядах концертного зала такими источниками естественного звучания, как рояль и оркестр из 18 музыкантов, равны соответственно 103 и 112 дБ, . АС, способная создать уровень звукового давления в диффузном поле Lд=Lп, должна обладать акустической мощностью Pa = 4V- 10 (0,1Lд-14) / Т (V - объем помещения, м, Т - время реверберации, с). А это значит, что при воспроизведении звучания названных выше музыкальных источников в помещениях объемом 50 и 100 м 3 акустическая мощность составит соответственно в первом случае 0,073 и 0,577 Вт, а во втором - 0,114 и 0,905 Вт. Поскольку коэффициент полезного действия современных АС не превышает 0,2 %, для создания указанных значений акустической мощности к АС следует подвести электрическую мощность опять же соответственно 37 и 288 Вт и 57 и 452 Вт. Отсюда следует однозначный вывод - наиболее распространенные бытовые АС (35АС-012 и т. п.) не способны обеспечить пиковые уровни звукового давления даже скромного по составу оркестра, вследствие этого и динамический диапазон, поскольку предельно допустимые уровни шума 30...45 дБ в жилых комнатах и концертных залах совпадают. В результате приходится либо мириться с ограничением пиков, сопровождающимся характерными нелинейными и динамическими искажениями, либо снижать средний уровень громкости, что из-за особенностей слуха также нарушает субъективное восприятие реальной музыкальной программы.

Из сказанного следует, что для обеспечения высокой верности воспроизведения необходимо использовать АС с расширенным динамическим диапазоном. В настоящее время желательность развиваемого АС максимального уровня звукового давления 108...109 дБ/ Вт/м является технически и. экономически оправданной. Для его достижения на базе головок с характеристической чувствительностью 86 дБ/Вт/м необходимо создание АС с кратковременной мощностью порядка 300 Вт. Более дешевым и простым путем реализации этого требования было бы использование головок с характеристической чувствительностью 92... 94 дБ/Вт/м, что и делается за рубежом, но у нас такие головки практически не выпускаются. Необходимо подчеркнуть, что столь высокие уровни мощности АС и соответственно усилителей ЗЧ необходимы не для увеличения среднего уровня громкости, а для обеспечения неискаженного воспроизведения пиков записанных программ. Ссылки некоторых противников мощных АС и УМЗЧ на санитарные нормы , ограничивающие из-за возникновения болевых ощущений уровень звукового давления значением 100 дБ, некорректны, ибо они относятся к шуму, а не к музыке. Воздействие же музыкального сигнала принципиально отличается от воздействия шума из-за интегрального свойства слуха. В музыкальных программах пики звукового давления 104... 109 дБ болевых ощущений не вызывают. Наш опыт длительной эксплуатации в жилой комнате объемом 100 ма АС с высоким средним звуковым давлением 0,45 Па при подводимой мощности до 2 х (100...120) Вт свидетельствует, что никаких болевых ощущений у кого-либо из слушателей не наблюдалось. Вместе с тем все они без исключения и, особенно, люди с профессиональным развитым слухом отмечали высокую верность звучания, в первую очередь, за счет верной передачи динамического диапазона музыкальных программ. Зарубежный опыт конструирования высококачественных электроакустических устройств показывает, что предназначенные для них бытовые усилители имеют выходную мощность от 2х100 до 2х200 Вт и более, что хорошо согласуется с приведенным выше расчетом. У нас также наблюдается устойчивая тенденция к росту мощности высококачественных усилителей: от 2х25 Вт («Одиссей-001-стерео» - 70-е годы) до 2х100 Вт («Форум-стерео», «Корвет-УМ-048-стерео» - конец 80-х). Причем для «Корвета-УМ-048-стерео» завод рекомендует использовать АС с паспортной мощностью не менее 100 Вт на канал.

С учетом приведенных выше соображений нами была сконструирована АС с паспортной мощностью 150 Вт. Номинальная ее мощность - 75 Вт; диапазон воспроизводимых частот при неравномерности АЧХ±2 дБ -25...20 000 Гц; характеристическая чувствительность - 89 дБ/Вт/м; суммарный коэффициент гармоник - 1,6 %.

Принципиальная схема АС представлена на рис. 1. В качестве НЧ излучателей выбраны две головки 75ГДН-3. Для согласования АС с усилителем сопротивление каждой из параллельно включенных головок должно быть 8 Ом. Функции СЧ излучателей выполняют две головки 20ГДС-1-4. Эти головки выпускаются с активным сопротивлением 4 и 8 Ом . Для нашей АС более предпочтительными с позиций согласования отдачи НЧ и СЧ звеньев были бы две последовательно соединенные четырехомные головки. Однако поскольку их нет в широкой продаже, нами были выбраны параллельно включенные восьмиомные головки с последовательным резистором в схеме разделительного фильтра для выравнивания отдачи относительно НЧ звена. В ВЧ звене работают две головки 6ГДВ-4-8, включенные последовательно. Они эффективно воспроизводят высшие звуковые частоты, начиная с 3000...3500 Гц, что упрощает их согласование с СЧ излучателями. В показано, что наиболее эффективное демпфирование и снижение искажений излучателей НЧ достигается при охвате комплекса АС-УМЗЧ электромеханической обратной связью (ЭМОС). В связи с этим параметры разделительных фильтров АС (см. рис. 1) выбирались не только из соображений надлежащего выделения полос, но и с учетом их влияния на действие ЭМОС (емкости конденсаторов С1-C2-С3, включение резистора R1). Дополнительно снизить искажения позволяют сдвоенные НЧ излучатели . Такой способ можно рекомендовать как усовершенствование предложенной конструкции АС, особенно если введение ЭМОС затруднено.

Рис.1. Принципиальная схема фильтра акустической системы

Корпус АС (рис. 2) изготовлен из древесностружечной плиты толщиной 18 мм, на которую наклеен с наружной стороны слой фанеры толщиной 5...6 мм. Передняя панель а и задняя стенка б - съемные и крепятся к вертикальным брускам, закрепленным по периметру боковых стенок в и г корпуса с помощью шурупов. К горизонтальным брускам крепят крышку д и дно е корпуса. Передняя панель АС изготовлена из склеенных друг с другом столярным, казеиновым либо эпоксидным клеем трех слоев фанеры толщиной 9 мм. Все головки установлены с наружной стороны панели, под их фланцы стамеской выбраны необходимые углубления. На установочные места нанесены слои пластилина, после чего головки закреплены шурупами. На внутренней стороне задней стенки размещены платы с элементами разделительных фильтров, разъем для подключения АС к усилителю, а также согласующие резисторы R2 и R4, движки которых выведены под шлиц на наружную сторону.

Рис.2. Чертеж корпуса акустической системы

Катушки фильтров намотаны на каркасах из изоляционного материала. Диаметр каркаса катушки L1 - 50, а остальных - 18 мм, длина намотки - соответственно 27,5 и 25 мм. Катушка L1 содержит 140 витков провода ПЭВ-2 1,71; L2 - 176, a L4 - 145 витков провода ПЭВ-2 1,0. Катушка L3 состоит из 295 витков провода ПЭВ-2 0,64. Конденсаторы разделительных фильтров МБГО-2 и К42-11 (можно и К73-11). В описываемой АС предусмотрено акустическое демпфирование НЧ и СЧ излучателей. Для демпфирования НЧ излучателей применена панель акустического сопротивления (ПАС), установленная в фазоинверторе. Туннель образован П-образной подставкой под АС и полом. ПАС изготавливают из фанеры, гетинакса или пластмассы толщиной 10 мм (рис. 2). Одну из поверхностей панели смазывают клеем «Момент» и с натяжением приклеивают к ней ткань (подойдет неоднократно стиранный батист или упаковочная ткань). ПАС крепят снаружи ко дну ящика шурупами тканью вовнутрь. Головки СЧ звена демпфированы в соответствии с рекомендациями . На рис. 3 представлена характеристика АС по модулю полного сопротивления для оптимального типа ткани.

Рис.3. Характеристика АС по модулю полного сопротивления

Все внутренние поверхности ящика, за исключением передней панели и окна под ПАС в основании АС, оклеены звукопоглащающим материалом (войлоком, поролоном) толщиной 15...18 мм. СЧ головки изолированы от общего объема АС боксами из фанеры толщиной 6...8 мм. Для этой цели подойдут и алюминиевые миски с вырезанными в них отверстиями под магнитную систему. Щель между магнитной системой и краями отверстия нужно замазать пластилином. В том и другом случае бокс заполняется неплотно уложенной ватой. Переднюю панель закрывают деревянной рамкой, с натянутой на нее легкой (звукопроницаемой) тканью темных тонов. Рамка изготовлена из брусков сечением 20х25х31 мм. Наружные ее размеры - 999х496 мм. По углам к ней прикреплены четыре штифта диаметром 4 и длиной 22 мм, которые входят в подпружиненные гнезда на передней панели корпуса АС (на рисунке не показаны).

ЛИТЕРАТУРА:

1. Алдошина И. Мощности акустических систем и громкоговорителей.- Радио, 1986, № 3, с. 39-40.

2. Алдошина И., Войшвилло А. Высококачественные акустические системы и излучатели.- М.: Радио и связь, 1985, с. 168.

3. Терещук Р., Терещук К., Седов С. Полупроводниковые приемо-усилительные устройства.- Справочник радиолюбителя.: Киев, Наукова думка, 1987.

4. Сухов Н., Бать С. и др. Техника высококачественного звуковоспроизведения.- Киев: Техника, 1985.

5. Анерт В., Райнхардт В. Основы техники звукоусиления.- М.: Радио и связь, 1984.

6. Митрофанов Ю., Пикерсгиль А. Акустические системы с электромеханической обратной связью.- Радио, 1970, № 5, с. 25, 26.

7. Жбанов В. О демпфировании динамических головок.- Радио, 1987, № 4, с. 31-34.

8. Жбанов В. Пути уменьшения габаритов акустических систем.- Радио, 1987, № 2, с. 29-31.

9. Попов П., Шоров В. Повышение качества звучания громкоговорителей.- Радио, 1983, № 6, с. 50-53.

И. БЕСПАЛОВ, А. ПИКЕРСГИЛЬ, г. Одесса

Журнал "Радио", №12 1989 г.

Сделать звуковые колонки своими руками – с этого у многих начинается увлечение сложным, но очень интересным делом – техникой звуковоспроизведения. Начальным побуждением часто становятся экономические соображения: цены на брендовую электроакустику завышены не чрезмерно – безобразно нагло. Если уж заклятые аудиофилы, не скупящиеся на раритетные радиолампы для усилителей и плоский серебряный провод для намотки звуковых трансформаторов, сетуют на форумах, что цены на акустику и динамики для нее систематически вздуваются, то проблема действительно серьезна. Желаете колонки для дома по 1 млн. руб. пара? Извольте, найдутся и подороже. Поэтому материалы данной статьи рассчитаны в первую очередь для самых-самых начинающих: им нужно быстро, просто и недорого убедиться, что творение рук своих, на все для которого ушло средств в десятки раз меньше, чем на «крутой» бренд, может «петь» не хуже или по крайней мере сравнимо. Но, возможно, кое-что из изложенного окажется откровением и для мэтров любительской электроакустики – если будет удостоено прочтением оными.

Акустические системы промышленного и любительского изготовления и динамики для них

Колонка или АС?

Звуковая колонка (КЗ, колонка звуковая) это один из видов акустического оформления электродинамических головок громкоговорителей (ГГ, динамиков), предназначенный для технико-информационного озвучивания больших общественных помещений. Вообще же акустическая система (АС) состоит из первичного излучателя звука (ИЗ) и его акустического оформления, обеспечивающего требуемое качество звучания. Домашние АС по большей части с виду похожи на звуковые колонки, поэтому их так и прозвали. Электроакустические системы (ЭАС) имеют в своем составе также электрическую часть: провода, клеммы, разделительные фильтры, встроенные усилители мощности звуковой частоты (УМЗЧ, в активных АС), вычислительные устройства (в АС с цифровой расфильтровкой каналов) и др. Акустическое оформление бытовых АС размещается как правило в корпусе, отчего они и выглядят более-менее вытянутыми вверх колоннами.

Акустика и электроника

Акустика идеальной АС возбуждается во всем диапазоне слышимых частот 20-20 000 Гц одним широкополосным первичным ИЗ. Электроакустика медленно, но уверенно идет к идеалу, однако лучшие результаты показывают пока еще АС с разделением частот на каналы (полосы) НЧ (20-300 Гц, низкие частоты, басы), СЧ (300-5000 Гц, средние) и ВЧ (5000-20 000 Гц, высокие, верха) или НЧ-СЧ и ВЧ. Первые, естественно, называются 3-х полосным, а вторые – 2-х полосными. Начинать осваиваться в электроакустике лучше всего с 2-полосных АС: они позволяют в домашних условиях без излишних затрат и сложностей получить звук качества до высокого Hi-Fi (см. ниже) включительно. Звуковой сигнал от УМЗЧ или, в активных АС, маломощный от первичного источника (плеера, звуковой карты компьютера, тюнера и т.п.) распределяется по частотным каналам разделительными фильтрами; это называется расфильтровкой каналов, как сами разделительные фильтры.

Далее в статье рассматривается преимущественно, как сделать колонки, обеспечивающие хорошую акустику. Электронная часть электроакустики – предмет особого серьезного обсуждения, и не одного. Здесь нужно заметить только, что, во-первых, поначалу не нужно браться за близкую к идеальной, но сложную и дорогую цифровую расфильтровку, а применить пассивную на индуктивно-емкостных фильтрах. Для 2-полосной АС нужна всего одна вилка разделительных фильтров низких и высоких частот (ФНЧ/ФВЧ).

Для расчета разделительных лестничных фильтров АС есть специальные программы, напр. JBL Speaker Shop. Однако в домашних условиях индивидуальная настройка каждой вилки под конкретный экземпляры динамиков, во-первых, не бьет по производственным расходам в серийном производстве. Во-вторых, замена ГГ в АС требуется только в исключительных случаях. Значит, к расфильтровке частотных каналов АС можно подойти нетрадиционно:

1. Частоту раздела НЧ-СЧ м ВЧ принимают не ниже 6 кГц, иначе не получится достаточно равномерной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) всей АС в области СЧ, что очень плохо, см. далее. К тому же, при высокой частоте раздела фильтр получается недорогим и компактным;
2. Прототипами для расчета фильтра берут звенья и полузвенья фильтров типа K, т.к. их фазочастотные характеристики (ФЧХ) абсолютно линейны. Без соблюдения этого условия АЧХ в области частоты раздела получится существенно неравномерной и в звучании появятся призвуки;
3. Для получения исходных к расчету данных нужно измерить импеданс (полное электрическое сопротивление) НЧ-СЧ и ВЧ ГГ на частоте раздела. Указанные в паспорте ГГ 4 или 8 Ом – их активное сопротивление на постоянном токе, а импеданс на частоте раздела будет больше. Измеряется импеданс достаточно просто: ГГ подключают к генератору звуковых частот (ГЗЧ), настроенному на частоту раздела, с выходом не слабее 10 В на нагрузку в 600 Ом через резистор заведомо большого сопротивления, напр. 1 кОм. Можно воспользоваться маломощным ГЗЧ и УМЗЧ высокой верности. Импеданс определяется по отношению напряжений звуковой частоты (ЗЧ) на резисторе и ГГ;
4. Импеданс НЧ-СЧ звена (ГГ, головки) принимают за характеристическое сопротивление ρн фильтра низких частот (ФНЧ), а импеданс ВЧ головки – за ρв фильтра высоких частот (ФВЧ). То, что они разные – ну и шут с ними, выходное сопротивление УМЗЧ, «раскачивающего» АС, пренебрежимо мало по сравнению с тем и тем;
5. Со стороны УМЗЧ ставят звенья ФНЧ и ФВЧ отражающего типа, чтобы не перегружать усилитель и не отбирать мощность у сопряженного канала АС. К ГГ обращают, наоборот, поглощающие звенья, что отдача от фильтра не давала призвуков. Таким образом, ФНЧ и ФВЧ АС будут иметь не менее звена с полузвеном;

Затухание ФНЧ и ФВЧ на частоте раздела берут равным 3 дБ (в 1,41 раза), т.к. крутизна скатов K-фильтров невелика и равномерна. Не 6 дБ, как может показаться, т.к. фильтры рассчитываются по напряжению, а подводимая к ГГ мощность зависит от него по квадрату;

6. Наладка фильтра сводится к «приглушению» слишком громкого канала. Измеряют громкости каналов на частоте раздела с помощью компьютерного микрофона, отключая поочередно ВЧ и НЧ-СЧ. Степень «глушения» определяется как корень квадратный из отношения громкости каналов;
7. Избыточную громкость канала убирают парой резисторов: гасящий на доли или единицы Ом включают последовательно с ГГ, а параллельно им обоим – выравнивающий большего сопротивления, чтобы импеданс ГГ с резисторами остался неизменным.

Пояснения к методике

У технически сведущего читателя может возникнуть вопрос: так у вас что же, фильтр на комплексную нагрузку работает? Да, и в данном случае – ничего страшного. ФЧХ K-фильтров линейна, как сказано, а Hi-Fi УМЗЧ практически идеальный источник напряжения: его выходное сопротивление Rвых – единицы и десятки мОм. При таких условиях «отражёнка» от реактанса ГГ частично затухнет в выходном поглощающем звене/полузвене фильтра, но большей частью просочится обратно на выход УМЗЧ, где и сгинет без следа. В сопряженный канал фактически ничего не пройдет, т.к. ρ его фильтра многократно больше Rвых. Тут одна опасность: если импеданс ГГ и ρ разные, то в цепи выход фильтра – ГГ начнется циркуляция мощности, отчего басы станут тусклыми, «плоскими», атаки на СЧ затянутыми, а верха – резкими, с подсвистом. Поэтому подгонять импеданс ГГ и ρ нужно точно, а в случае замены ГГ канал придется настраивать заново.

Примечание: не пытайтесь расфильтровывать активные АС аналоговыми активными фильтрами на операционных усилителях (ОУ). Добиться линейности их фазовых характеристик в широком диапазоне частот невозможно, поэтому, напр., аналоговые активные фильтры так и не прижились толком в технике электросвязи.

Что такое хайфай

Hi-Fi, как известно, сокращение от High Fidelity – высокая верность (воспроизведения звука). Понятие Hi-Fi изначально принималось как расплывчатое и не подлежащее стандартизации, но постепенно выработалось неформальное деление его на классы; цифрами в списке обозначены соответственно диапазон воспроизводимых частот (рабочий диапазон), максимально допустимый коэффициент нелинейных искажений (КНИ) на номинальной мощности (см. далее), минимально допустимый динамический диапазон относительно собственных шумов помещения (динамика, отношение максимальной громкости к минимальной), максимально допустимые неравномерность АЧХ на СЧ и ее завал (спад) на краях рабочего диапазона:

• Абсолютный или полный – 20-20 000 Гц, 0,03% (–70 дБ), 90 дБ (в 31 600 раз), 1 дБ (в 1,12 раза), 2 дБ (в 1,25 раза).
• Высокий или тяжелый – 31,5-18 000 Гц, 0,1% (–60 дБ), 75 дБ (в 5600 раз), 2 дБ, 3 дБ (в 1,41 раза).
• Средний или базовый – 40-16 000 Гц, 0,3% (–50 дБ), 66 дБ (в 2000 раз), 3 дБ, 6 дБ (в 2 раза).
• Начальный – 63-12 500 Гц, 1% (–40 дБ), 60 дБ (в 1000 раз), 6 дБ, 12 дБ (в 4 раза).

Любопытно, что высокий, базовый и начальный Hi-Fi примерно соответствуют высшему, первому и второму классам бытовой электроакустики по системе СССР. Понятие абсолютного Hi-Fi возникло с появлением конденсаторных, пленочно-панельных (изодинамических и электростатических), струйных и плазменных излучателей звука. Тяжелым (Heavy) высокий Hi-Fi обозвали англо-саксы, т.к. High High Fidelity по-английски все равно что масло масленое.

Какой нужен хайфай?

Домашняя акустика для современной квартиры или дома с хорошей звукоизоляцией должна удовлетворять условиям на базовый Hi-Fi. Высокий там, конечно, хуже не зазвучит, но обойдется много дороже. В блочной хрущевке или брежневке, как их не изолируй, начальный и базовый Hi-Fi различают только профессиональные эксперты. Основания для такого загрубления требований к домашней акустике следующие.

Во-первых, полный диапазон звуковых частот слышат буквально единицы людей из всего человечества. Люди, одаренные особо тонким музыкальным слухом, такие как Моцарт, Чайковский, Дж. Гершвин, слышат высокий Hi-Fi. Опытные профессиональные музыканты в концертном зале уверенно воспринимают базовый Hi-Fi, а 98% рядовых слушателей в звукомерной камере по частоте почти никогда не различают начальный и базовый.

Кривые равной громкости

Во-вторых, в наиболее слышимой области СЧ человек по динамике различает звуки в диапазоне 140 дБ, считая от порога слышимости в 0 дБ, равного интенсивности звукового потока в 1 пВт на кв. м, см. рис. справа кривые равной громкости. Звук громче 140 дБ это уже боль, а затем – повреждение органов слуха и контузия. Симфонический оркестр расширенного состава на мощнейшем фортиссимо выдает динамику звука до 90 дБ, а в залах Большого Оперного, Миланского, Парижского, Венского оперных театров и Метрополитен-оперы в Нью-Йорке способен «разогнаться» до 110 дБ; таков же динамический диапазон ведущих джаз-бандов с симфоническим сопровождением. Это – предел восприятия, громче которого звук превращается в еще терпимый, но уже бессмысленный шум.

Примечание: рок-группы могут играть и громче 140 дБ, чем по молодости увлекались Элтон Джон, Фредди Меркюри и Роллинг Стоунз. Но динамика рока не превышает 85 дБ, т.к. нежнейшее пианиссимо рок-музыканты не могут сыграть при всем желании – аппаратура не позволяет, а рока «на духу» не бывает. Что до попсы любого рода и саундтреков к фильмам, то это вообще не тема – их динамический диапазон уже при записи сжимают до 66, 60 и даже 44 дБ, чтобы можно было слушать на чем попало.

В-третьих, естественные шумы в тишайшей гостиной загородного дома за задворках цивилизации – 20-26 дБ. Санитарная норма шума в читальном зале библиотеки – 32 дБ, а шелест листьев на свежем ветру – 40-45 дБ. Отсюда ясно, что динамики высокого Hi-Fi в 75 дБ более чем достаточно для осмысленного прослушивания в бытовых условиях; динамика современных УМЗЧ среднего уровня, как правило, не хуже 80 дБ. В городской квартире распознать по динамике базовый и высокий Hi-Fi практически невозможно.

Примечание: в помещении, зашумленном более чем на 26 дБ, частотный диапазон избранного Hi-Fi можно сузить до пред. класса, т.к. сказывается эффект маскировки – на фоне невнятных шумов чувствительность уха по частоте падает.

Но чтобы Hi-Fi был хайфаем, а не «счастьем» для «любимых» соседей и вредом для здоровья владельца, нужно обеспечить еще возможно меньшие искажения звука, верное воспроизведение НЧ, гладкую АЧХ в области СЧ, и определиться с необходимой для озвучивания данного помещения электрической мощностью АС. С ВЧ проблем, как правило, не бывает, т.к. их КНИ «уходят» в неслышимую ультразвуковую область; нужно только поставить в АС хорошую ВЧ головку. Тут достаточно заметить, что, если вы предпочитаете классику и джаз, ВЧ ГГ лучше брать с диффузором на мощность 0,2-0,3 от таковой НЧ канала, напр. 3ГДВ-1-8 (2ГД-36 по-старому) и подобные. Если же вас «прёт» от жестких верхов, то оптимальной будет ВЧ ГГ с купольным излучателем (см. далее) мощностью 0,3-0,5 от мощности НЧ звена; игру на барабанах щетками натурально воспроизводят только купольные «пищалки». Впрочем, хорошая купольная ВЧ ГГ годится для любой музыки.

Искажения

Искажения звука возможны линейные (ЛИ) и нелинейные (НИ). Линейные искажения это, попросту, несоответствие среднего уровня громкости условиям прослушивания, для чего в любом УМЗЧ и есть регулятор громкости. В дорогие 3-полосные АС для высокого Hi-Fi (напр., советские АС-30, они же S-90) часто вводят и аттенюаторы мощности для СЧ и ВЧ, чтобы возможно точнее подогнать АЧХ АС к акустике помещения.

Что касается НИ, то им, как говорится, несть числа и постоянно обнаруживаются новые. Наличие НИ в звуковом тракте выражается в том, что форма выходного сигнала (который звук уже в воздухе) не вполне идентична форме исходного сигнала от первичного источника. Более всего портят чистоту, «прозрачность» и «сочность» звука след. НИ:

1. Гармонические – обертоны (гармоники), кратные основной частоте воспроизводимого звука. Проявляются как излишне рокочущий бас, резкие и жесткие СЧ и ВЧ;
2. Интермодуляционные (комбинационные) – суммы и разности частот составляющих спектра исходного сигнала. Сильные комбинационные НИ слышны как хрип, а слабые, но портящие звук можно распознать только в лаборатории многосигнальным или статистическим на тестовых фонограммах методами. На слух же – звук вроде чистый, но какой-то не такой;
3. Переходные – «дрожания» формы выходного сигнала при резких нарастаниях/спадах исходного. Проявляют себя короткими хрипами и всхлипываниями, но нерегулярно, на скачках громкости;
4. Резонансные (призвуки) – подзвон, дребезг, бубнение;
5. Фронтальные (искажения атаки звука) – затягивание или, наоборот, форсирование резких изменений общей громкости. Почти всегда возникают совместно с переходными;
6. Шумовые – гул, шелест, шипение;
7. Нерегулярные (спорадические) – щелчки, трески;
8. Интерференционные (ИИ или ИФИ, чтобы не путать с интермодуляционными). Характерны именно для АС, в УМЗЧ ИФИ не возникают. Очень вредны, т.к. отлично слышны и неустранимы без капитальной переделки АС. Подробнее об ИФИ см. ниже.

Примечание: «хрип» и пр. образные описания искажения здесь и далее даны с точки зрения Hi-Fi, т.е. как уже слышимые искушенными слушателями. А, напр., речевые динамики проектируются на КНИ при номинальной мощности 6% (в Китае – на 10%) и 1

Кроме интерференции, АС могут давать преимущественно НИ по пп. 1, 3, 4 и 5; щелчки и трески тут возможны как результат некачественного изготовления. С переходным и фронтальными НИ в АС борются, подбирая подходящие ГГ (см. далее) и акустическое оформление для них. Способы избежать призвуков – рациональная конструкция корпуса АС и правильный выбора материала для него, также см. далее.

На гармонических НИ в АС нужно задержаться, т.к. они принципиально отличны от таковых в полупроводниковых УМЗЧ и сходны с гармоническими НИ ламповых УНЧ (усилителей низкой частоты, старое название УМЗЧ). Транзистор – квантовый прибор, и его передаточные характеристики аналитическими функциями не выражаются принципиально. Следствие – точно просчитать все гармоники транзисторного УМЗЧ невозможно, а их спектр тянется до 15-ой и более высоких компонент. Также в спектре транзисторных УМЗЧ велика доля комбинационных составляющих.

Единственный способ управиться со всем этим безобразием – упрятать НИ поглубже под собственные шумы усилителя, которые, в свою очередь, должны быть многократно ниже естественных шумов помещения. Надо сказать, что современная схемотехника справляется с этой задачей вполне успешно: по теперешним представлениям УМЗЧ с 1% КНИ и –66 дБ шумов «никакой», а с 0,06% КНИ и –80 дБ шумов довольно-таки средненький.

С гармоническими НИ динамиков АС дело обстоит иначе. Их спектр, во-первых, как и у ламповых УНЧ, чистый – только обертоны без заметной примеси комбинационных частот. Во-вторых, гармоники АС прослеживаются, тоже как у ламп, не выше 4-й. Такой спектр НИ не портит заметно звук и при КНИ в 0,5-1%, что подтверждается экспертными оценками, а причина «грязного» и «вялого» звука самодельных АС кроется чаще всего в плохой АЧХ на СЧ. К сведению, е
ли трубач не почистил как следует инструмент перед концертом и во время игры не выплескивает своевременно слюну из амбушюра, то КНИ, скажем, тромбона, может вырасти до 2-3%. И ничего, играют, слушателям нравится.

Вывод отсюда следует очень важный и благоприятный: диапазон воспроизводимых частот и собственные гармонические НИ АС не являются параметрами, критически важными для качества создаваемого ею звука. Звучание АС с 1% и даже 1,5% гармонических НИ эксперты могут отнести к базовому, а то и высокому Hi-Fi, если выполнены соотв. условия по динамике и гладкости АЧХ.

Интерференция

ИФИ – результат схождения звуковых волн от рядом расположенных источников синфазно или в противофазе. Результат – всплески, вплоть до рези в ушах, или провалы почти но нуля, громкости на отдельных частотах. В свое время первенец советского Hi-Fi 10МАС-1 (не 1М!) была срочно снята с производства после того, как музыканты обнаружили, что эта АС совсем не воспроизводит ля второй октавы (насколько помнится). На заводе-то прототип «гоняли» в звукомерке трехсигнальным методом, допотопным уже тогда, а должности эксперта с музыкальным слухом в штатном расписании не было. Один из парадоксов развитого социализма.

Вероятность возникновения ИФИ резко растет с повышением частоты и, соотв., уменьшением длины волны звука, т.к. для этого расстояние между центрами излучателей должно быть кратным половине длины волны воспроизводимой частоты. На СЧ и ВЧ последняя изменяется от единиц дециметров до миллиметров, поэтому ставить в АС две-несколько СЧ и ВЧ ГГ нельзя никак – ИФИ тогда не избежать, т.к. расстояния между центрами ГГ получатся того же порядка. Вообще, золотое правило электроакустики – по одному излучателю на полосу, а бриллиантовое – одна широкополосная ГГ на весь частотный диапазон.

Длина волн НЧ – метры, что много больше не только расстояния между ГГ, но и размеров АС. Поэтому производители и опытные любители часто увеличивают мощность АС и улучшают басы, спаривая или счетверяя (ставя квадруплетом) НЧ ГГ. Однако начинающему так делать не следует: может возникнуть внутренняя интерференция отраженных волн, «гуляющих» с самой АС. На слух она проявляется как резонансные НИ: бухтит, гундосит, дребезжит, почему – непонятно. Так что следуйте драгоценным правилам, чтобы не перебирать раз за разом всю АС без толку.

Примечание: ставить в АС нечетное количество одинаковых ГГ нельзя ни в коем случае – ИФИ тогда гарантированы 100%

СЧ

На воспроизведение средних частот начинающие любители обращают мало внимания – их, мол, любой динамик «пропоет» – а зря. СЧ слышны лучше всего, на них же приходятся исходные («правильные») гармоники основы всего – басов. Неравномерность АЧХ АС на СЧ способна дать очень сильно портящие звук комбинационные НИ, т.к. спектр любой фонограммы «плавает» по частотному диапазону. Особенно – если в АС используются эффективные и недорогие динамики с коротким ходом диффузора, см. далее. Субъективно, при прослушивании, эксперты однозначно отдают предпочтение АС с АЧХ на СЧ, плавно меняющейся по диапазону частот в пределах 10 дБ перед той, у которой есть 3 провала или «бугра» по 6 дБ. Поэтому, проектируя и делая АС, нужно на каждом шаге тщательно проверять: а не «загорбатится» ли от этого АЧХ на СЧ?

Примечание, кстати о басах: рокерский анекдот. Итак, молодая перспективная группа прорвалась на престижный фестиваль. Через полчаса им выходить, а они уже за кулисами, волнуются, ждут, но басист загулял где-то. 10 минут до выхода – его нет, 5 минут – тоже нет. Выход машут, а басиста все нет. Что делать? Ну, будем играть без баса. Невыход это мгновенный крах карьеры навечно. Сыграли без баса, понятно, как. Бредут к служебному выходу, плюются, матюкаются. Глядь – басист, поддатый, с двумя тёлками. Они к нему – ах ты, козлина, ты хоть понимаешь, как ты нас кинул?!! Ты где был?! – Да я решил в зале послушать. – И что ты там наслушал? – Чуваки, без баса – отстой!

НЧ

Бас в музыке все равно что фундамент для дома. И точно так же «нулевой цикл» электроакустики самый трудный, сложный и ответственный. Слышимость звука зависит от потока энергии звуковой волны, который зависит от частоты по квадрату. Стало быть, басы слышны хуже всего, см. рис. с кривыми равной громкости. Для «закачки» энергии в НЧ нужны мощные динамики и УМЗЧ; реально на басы тратится более половины мощности усилителя. Но на больших мощностях растет вероятность возникновения НИ, самые сильные и, разумеется, слышимые составляющие спектра которых от басов придутся как раз на лучше всего слышимые СЧ.

«Накачка» НЧ осложняется еще и тем, что размеры ГГ и всей АС малы сравнительно с длинами волн НЧ. Любой источник звука отдает ему энергию тем лучше, чем больше его размеры относительно длины звуковой волны. Акустический КПД динамиков на НЧ – единицы и доли процента. Поэтому большая часть работ и хлопот по созданию АС сводится к тому, чтобы заставить ее получше воспроизводить НЧ. Но напомним еще раз: не забывайте при этом как можно чаше контролировать чистоту СЧ! Собственно же создание НЧ тракта АС сводится к:

• Определению потребной электрической мощности НЧ ГГ.
• Выбору НЧ ГГ, подходящей для данных условий прослушивания.
• Выбору оптимального для выбранной НЧ ГГ акустического оформления (конструкции корпуса).
• Правильному его изготовлению в пригодном материале.

Мощность

Стандартный акустический экран

Отдача по звуку в дБ (характеристическая чувствительность) указывается в паспорте динамика. Измеряется она в звукомерной камере в 1 м от центра ГГ измерительным микрофоном, расположенным строго по ее оси. ГГ ставят на звукомерный щит (стандартный акустический экран, см. рис. справа) и подводят электрическую мощность 1 Вт (0,1 Вт для ГГ мощностью меньше 3 Вт) на частоте 1000 Гц (200 Гц, 5000 Гц). Теоретически по этим данным, классу желаемого Hi-Fi и параметрам помещения/области прослушивания (местной акустике) можно рассчитать требуемую электрическую мощность ГГ. Но на деле учет местной акустики настолько сложен и неоднозначен, что с этим и специалисты редко морочатся.

Примечание: ГГ для измерений смещают от центра экрана затем, чтобы избежать интерференции звуковых волн от фронтальной и тыльной излучающих поверхностей. Материал экрана обычно – пирог из 5-ти слоев неошкуренной 3-слойной сосновой фанеры на казеиновом клею толщиной по 3 мм и 4-прокладок между ними из натурального войлока толщиной по 2 мм. Клеится все вместе тоже казеином или ПВА.

Гораздо проще идти от имеющихся условий на техническое озвучивание слабо зашумленных помещений, с поправками на динамику и частотный диапазон Hi-Fi, тем более, что полученные результаты в таком случае лучше согласуются с известными эмпирическими данными и экспертными оценками. Тогда для начального Hi-Fi нужно, при высоте потолка до 3,5 м, 0,25 Вт номинальной (долговременной) электрической мощности ГГ на 1 кв. м площади пола, для базового Hi-Fi – 0,4 Вт/кв. м, а для высокого – 1,15 Вт/кв. м.

Следующий шаг – учет реальных условий прослушивания. Динамики на сотню Вт, способные работать и на микроваттных уровнях, чудовищно дороги, с одной стороны. С другой – если для прослушивания не выделено отдельное помещение, оборудованное как звукомерная камера, то их «микрошепота» на тишайшем пианиссимо в любой жилой комнате и слышно не будет (см. выше об уровнях естественных шумов). Поэтому увеличиваем полученные значения вдвое-втрое, чтобы «оторвать» прослушиваемое от шумового фона. Получаем для начального Hi-Fi от 0,5 Вт/кв. м, базового от 0,8 Вт/кв. м и для высокого от 2,25 Вт/кв. м.

Далее, поскольку нам нужен хайфай, а не просто разборчивость речи, нужно от номинальной мощности перейти к пиковой (музыкальной). «Сок» звука зависит в первую очередь от динамики его громкости. КНИ ГГ на пиках громкости не должен превосходить его значения для Hi-Fi на класс ниже избранного; для начального Hi-Fi берем на пике КНИ 3%. В торговых спецификациях на Hi-Fi динамики указывается именно пиковая мощность как более значимая. По советско-российской методике пиковая мощность равна 3,33 долговременной; по методикам западных фирм «музыка» равна 5-8 номиналам, но – стоп пока!

Примечание: китайские, тайваньские, индийские и корейские методики – в игнор. Они для базового (!) Hi-Fi на пике принимают телефонный КНИ в 6%. А вот Филиппины, Индонезия и Австралия меряют свои динамики грамотно.

Дело в том, что все без исключения западные производители Hi-Fi ГГ безбожно завышают пиковую мощность своих изделий. Лучше бы продвигали свои КНИ и ровность АЧХ, тут им действительно есть чем гордиться. Да вот только рядовой забугорный обыватель таких сложностей понимать не станет, а если на динамике наляпано «180W», «250W», «320W», это реально круто. В действительности же прогоны динамиков «оттуда» в звукомерке дают их пики в 3,2-3,7 номиналов. Что вполне объяснимо, т.к. обосновано данное соотношение физиологически, т.е. строением наших с вами ушей. Вывод – нацелившись на западные ГГ, выходите на фирменный сайт, ищите там номинальную мощность и умножайте на 3,33.

Примечание 9, насчет обозначений пика и номинала: в России по старой системе цифры перед буквами в обозначении динамика указывали его номинальную мощность, а теперь дают пиковую. Но одновременно изменены были и корень с суффиксом обозначения. Поэтому один и тот же динамик может обозначаться совсем по разному, примеры см. ниже. Правду ищите с справочных источниках или на Яндексе. Там, какое обозначение ни введи, в результатах будет новое, а рядом в скобках старое.

В конечном итоге получаем для комнаты до 12 кв. м пик для начального Hi-Fi в 15 Вт, базового в 30 Вт и высокого в 55 Вт. Это наименьшие допустимые значения; взять ГГ еще вдвое-втрое мощнее, будет лучше, если только не слушается симфоническая классика и очень серьезный джаз. Для них желательно ограничиться мощностью в 1,2-1,5 от минимальной, иначе на пиках громкости возможны хрипы.

Можно обойтись еще проще, ориентируясь на проверенные прототипы. Для начального Hi-Fi в комнате до 20 кв. м подойдет ГГ 10ГД-36К (10ГДШ-1 по-старому), для высокого – 100ГДШ-47-16. Расфильтровка им не нужна, это широкополосные ГГ. С базовым Hi-Fi сложнее, подходящего широкополосника для него не обнаруживается, нужно делать 2-полосную АС. Тут на первых порах оптимальное решение – повторить электрическую часть старой советской АС S-30B. Эти колонки уже десятилетия исправно и очень хорошо «поют» в квартирах, кафешках и просто на улице. Обшарпанные донельзя, но звук держат.

Электрическая схема разделительных фильтров АС S-30B и указания к ней для намотки катушек

Разделительные фильтры АС S-30B со схемой индикации перегрузки

Схема расфильтровки S-30B (без индикации перегрузки) дана на рис. слева. Незначительная доработка произведена для уменьшения потерь в катушках и возможности подгонки под различные НЧ ГГ; при желании отводы от L1 можно сделать чаще, в пределах 1/3 общего к-ва витков w, считая от правого по схеме конца L1, подгонка будет точнее. Справа – указания и формулы для самостоятельного расчета и изготовления катушек фильтров. Деталей прецизионной точности для этой расфильтровки не требуется; отклонения индуктивности катушек на +/–10% также не влияют заметно на звучание. Движок R2 целесообразно вывести на заднюю стенку для оперативной подгонки АЧХ под комнату. К импедансу динамиков схема мало чувствительна (в отличие от расфильтровки на K-фильтрах), поэтому вместо указанных можно применять другие ГГ, подходящие по мощности и сопротивлению. Одно условие: высшая воспроизводимая частота (ВВЧ) НЧ ГГ по уровню –20 дБ должна быть не ниже 7 кГц, а низшая воспроизводимая частота (НВЧ) ВЧ ГГ на том же уровне – не выше 3 кГц. Сдвигая-раздвигая L1 и L2, можно несколько корректировать АЧХ в области частоты раздела (5 кГц), не прибегая к таким сложностям, как фильтр Цобеля, способным к тому же увеличивать переходные искажения. Конденсаторы – пленочные с изоляцией из ПЭТ или фторопласта и напылёнными обкладками (MKP) К78 или К73-16; в крайнем случае – К73-11. Резисторы – металлопленочные (MOX). Провода – аудио из бескислородной меди сечением от 2,5 кв. мм. Монтаж – только на пайке. На рис. справа показано, как выглядит оригинальная расфильтровка S-30B (со схемой индикации перегрузки), а на рис. ниже слева дана популярная за рубежом схема 2-полосной расфильтровки без магнитной связи между катушками (почему и полярность их не указана). Справа там же, на всякий случай – 3-полосная расфильтровка советской АС S-90 (35АС-212).

Схемы разделительных фильтров для 2-полосной и 3-полосной акустических систем

О проводах

Специальные аудиопровода – не порождение массового психоза и не маркетинговый трюк. Эффект, открытый радиолюбителями, ныне подтвержден исследованиями и признан специалистами: если в меди провода есть примесь кислорода, на кристаллитах металла образуется тончайшая, буквально в молекулу, пленочка окисла, от которой звуковому сигналу может быть что угодно, кроме улучшения. В серебре такого эффекта не обнаруживается, отчего утонченные аудиогурманы и не скупятся на серебряный провод: торговцы беззастенчиво жульничают с медным проводами, т.к. отличить бескислородную медь от обычной электротехнической можно только в специально оборудованной лаборатории.

Динамики

Качество первичного излучателя звука (ИЗ) на басах определяет звучание АС прим. на 2/3; на СЧ и верхах – практически нацело. В любительских АС почти всегда ИЗ являются электродинамические ГГ (динамики). Изодинамические системы достаточно широко используются в высококлассных наушниках (напр. ТДС-7 и ТДС-15, которыми охотно пользуются профи для контроля звукозаписи), но создание мощных изодинамических ИЗ наталкивается на непреодолимые пока технические трудности. Что до прочих первичных ИЗ (см. перечень в начале), то они пока далеко еще не «доведены до ума». Особенно это касается цен, надежности, долговечности и стабильности характеристик в процессе эксплуатации.

Приобщаясь к электроакустике, знать о том, как устроены и работают в акустических системах динамики, нужно следующее. Возбудитель динамика – тонкая катушка из провода, колеблющаяся в кольцевом зазоре магнитной системы под воздействием тока звуковой частоты. Катушка жестко связана с собственно излучателем звука в пространство – диффузором (на НЧ, СЧ, иногда – на ВЧ) или тонкой, очень легкой и жесткой купольной диафрагмой (на ВЧ, редко – на СЧ). Эффективность излучения звука сильно зависит от диаметра ИЗ; точнее – от его отношения к длине волны излучаемой частоты, но вместе с тем с увеличением диаметра ИЗ растет и вероятность возникновения нелинейных искажений (НИ) звука вследствие упругости материала ИЗ; точнее – не бесконечной его жесткости. Борются с НИ в ИЗ, выполняя излучающие поверхности из звукопоглощающих (антиакустических) материалов.

Диаметр диффузора больше диаметра катушки, и в диффузорных ГГ он и катушка крепятся к корпусу динамика отдельными гибкими подвесами. Конфигурация диффузора – полый конус с тонкими стенками, обращенный вершиной к катушке. Подвес катушки держит одновременно и вершину диффузора, т.е. его подвес двойной. Образующая конуса может быть прямолинейной, параболической, экспоненциальной и гиперболической. Чем круче конус диффузора сходится к вершине, тем выше отдача и меньше НИ динамика, но одновременно сужается его частотный диапазон и возрастает направленность излучения (сужается диаграмма направленности ДН). Сужение ДН сужает также зону стереоэффекта и отодвигает ее от фронтальной плоскости пары
С. Диаметр диафрагмы равен диаметру катушки и отдельного подвеса для нее нет. Это резко снижает КНИ ГГ, т.к. подвес диффузора – весьма заметный источник НИ звука, а материал для диафрагмы можно брать очень жесткий. Однако хорошо излучать звук диафрагма способна только на достаточно высоких частотах.

Катушка и диффузор или диафрагма вместе с подвесами составляют подвижную систему (ПС) ГГ. У ПС есть частота собственного механического резонанса Fр, на которой подвижность ПС резко возрастает, и добротность Q. Если Q>1, то динамик без правильно подобранного и выполненного акустического оформления (см. далее) на Fр захрипит на мощности меньше номинальной, не то что пиковой, это т. наз. запирание ГГ. К искажениям запирание не относится, т.к. является конструкторско-производственным браком. Если 0,7 Эффективность передачи ИЗ энергии электрического сигнала звуковым волнам в воздухе определяется мгновенным ускорением диффузора/диафрагмы (кто знаком с матанализом – второй производной его смещения по времени), т.к. воздух – легко сжимаемая и очень текучая среда. Мгновенное ускорение катушки, толкающей/тянущей диффузор/диафрагму, должно быть несколько больше, иначе она не «раскачает» ИЗ. Несколько, но не намного. В противном случае катушка будет изгибать и заставлять вибрировать излучатель, что приведет к появлению НИ. Это т. наз мембранный эффект, при котором в материале диффузора/диафрагмы распространяются продольные волны упругости. Попросту говоря, диффузор/диафрагма должны чуть-чуть «тормозить» катушку. И тут опять противоречие – чем сильнее излучатель «тормозит», тем сильнее он излучает. На практике «торможение» излучателя делают таким, чтобы его НИ во всем диапазоне частот и мощностей укладывались в норму для заданного класса Hi-Fi.

Примечание, вывод: не пытайтесь «выжать» из динамиков того, чего они не могут. Напр., АС на 10ГДШ-1 можно построить с неравномерностью АЧХ на СЧ в 2 дБ, но по КНИ и динамике он все равно тянет на Hi-Fi не выше начального.

На частотах до Fр мембранный эффект не проявляется никогда, это т. наз. поршневой режим работы ГГ – диффузор/диафрагма просто ходят вперед-назад. Выше по частоте тяжелый диффузор все больше не успевает за катушкой, мембранное излучение начинается и все усиливается. На некоторой частоте динамик начинает излучать только как гибкая мембрана: на стыке с подвесом его диффузор уже неподвижен. При 0,7 Мембранный эффект резко улучшает отдачу ГГ, т.к. мгновенные ускорения вибрирующих участков поверхности ИЗ оказываются очень большими. Это обстоятельство широко используется конструкторами ВЧ и частично СЧ ГГ, спектр искажений которых сразу уходит в ультразвук, а также при конструировании ГГ не для Hi-Fi. КНИ ГГ с мембранным эффектом и ровность АЧХ АС с ними сильно зависят от моды мембраны. На нулевой моде, когда вся поверхность ИЗ дрожит как бы сама себе в такт, Hi-Fi до среднего включительно можно добиться и на НЧ, см. далее.

Примечание: частота, на которой ГГ переходит с «поршня на мембрану», а также изменение мембранной моды (не рост, она всегда целочисленная) существенно зависят от диаметра диффузора. Чем он больше, тем ниже по частоте и сильнее динамик начинает «мембранить».

Вуферы

Высококачественные поршневые НЧ ГГ (попросту – «поршня»; по-английски woofers, лающие) делают с относительно небольшим, толстым, тяжелым и жестким диффузором из антиакустики на очень мягком латексном подвесе, см. поз 1 на рис. Тогда Fр оказывается ниже 40 Гц или даже ниже 30-20 Гц, а Q Периоды волн НЧ долгие, все это время диффузор в поршневом режиме должен двигаться с ускорением, потому и ход диффузора делается длинным. НЧ без акустического оформления не воспроизводятся, но оно всегда в той или иной степени замкнуто, изолировано от свободного пространства. Поэтому диффузору приходится работать с большой массой т. наз. присоединенного воздуха, для «раскачки» которой требуется значительное усилие (отчего поршневые ГГ иногда называют компрессионными), также как и для ускоренного перемещения тяжелого диффузора с малой добротностью. По этим причинам магнитную систему поршневой ГГ приходится делать очень мощной.

Динамики для акустических систем

Несмотря на все ухищрения, отдача поршневых ГГ мала, т.к. развивать большое ускорение на длинных волнах НЧ диффузору нельзя: упругости воздуха не хватит, чтобы принять отдаваемую энергию. Он растечется в стороны, а динамик уйдет в запирания. Чтобы повысить отдачу и плавность хода подвижной системы (для уменьшения КНИ на больших уровнях мощности), конструкторы пускаются во все тяжкие – применяют магнитные системы дифференциальные, с полурассеянием и др. экзотику. КНИ дополнительно снижают, заполняя магнитный зазор невысыхающей реологической жидкостью. В итоге лучшие современные «поршня» достигают динамического диапазона в 92-95 дБ, причем КНИ на номинальной мощности не превосходит 0,25%, а на пиковой – 1%. Все это очень хорошо, но цены – мама, не горюй! $1000 за пару с дифмагнитами и реозаливкой для домашней акустики подобранных по отдаче, резонансной частоте и гибкости подвижной системы это еще не предел.

Примечание: НЧ ГГ с реологическим заполнением магнитного зазора пригодны только в НЧ звенья 3-полосных АС, т.к. совершенно не способны работать в мембранном режиме.

Есть у поршневых ГГ еще один серьезный порок: без сильного акустического демпфирования они могут механически разрушиться. Опять-таки, попросту: за поршневым динамиком должна быть слабо связанная со свободным пространством своего рода воздушная подушка. Иначе диффузор на пике сорвет с подвеса и он вылетит наружу вместе с катушкой. Поэтому ставить «поршня» можно не во всякое акустическое оформление, см. далее. Кроме того, поршневые ГГ не терпят принудительного затормаживания ПС: катушка сгорает сразу. Но это уже редкий случай, диффузоры динамиков обычно рукой не придерживают и спички им в магнитный зазор не вставляют.

Умельцам на заметку

Известен «народный» способ повысить отдачу поршневых ГГ: к штатной магнитной системе с тыла, ничего не переделывая в динамике, прочно прикрепляют дополнительный кольцевой магнит отталкивающейся стороной. Именно отталкивающейся, иначе при подаче сигнала катушку сразу оторвет от диффузора. Перемотать динамик в принципе можно, но очень сложно. И еще никогда нигде ни один динамик от перемотки не стал лучше или хотя бы остался таким, как был.

Но речь вообще-то не о том. Энтузиасты данной доработки утверждают, что поле внешнего магнита концентрирует поле штатного около катушки, отчего растет ускорение ПС и отдача. Это верно, но Hi-Fi ГГ это очень точно сбаласированная система. Отдача, действительно, немного увеличивается. Но вот КНИ на пике сразу «прыгает» так, что искажения звука становятся хорошо слышны и неискушенными слушателями. На номинале звук может стать даже чище, но без динамики Hi-Fi уже на хайфай.

Ведущие

Так по-английски (managers) называются СЧ ГГ, т.к. именно на СЧ приходится подавляющая часть смысловой нагрузки музыкального опуса. Требования к СЧ ГГ для Hi-Fi много мягче, поэтому большую их часть делают традиционной конструкции с большим диффузором, отлитым из целлюлозной массы заодно с подвесом, поз. 2. Отзывы об СЧ ГГ купольных и с металлическими диффузорами противоречивы. Превалирует в основном тон, мол, жестковат звук. Любители классики жалуются, что смычковые от динамиков «не бумажных» визжат. Звук СЧ ГГ с пластиковыми диффузорами почти все признают тусклым и в то же время жестким.

Ход диффузора СЧ ГГ делают коротким, т.к. его диаметр сравним с длинами волн СЧ и передача энергии в воздух не затруднительна. Для увеличения затухания упругих волн в диффузоре и, соотв., уменьшения НИ вместе с расширением динамического диапазона в массу для отливки диффузора Hi-Fi СЧ ГГ добавляют мелко нарезанные волокна шелка, тогда динамик почти во всем диапазоне СЧ работает в поршневом режиме. В результате применения этих мер динамика современных СЧ ГГ среднего ценового уровня оказывается не хуже 70 дБ, а КНИ на номинале не выше 1,5%, чего вполне достаточно для высокого Hi-Fi в городской квартире.

Примечание: шелк добавляют в материал диффузора почти всех хороших динамиков, это универсальный способ снизить КНИ.

Чирикалки

По-нашему – пищалки. Как вы уже догадались, это tweeters, ВЧ ГГ. Пишется с одним t, это не название соцсети для сплетен. Сделать хорошую «пищалку» из современных материалов было бы вообще просто (спектр НИ сразу уходит в ультразвук), если бы не одно обстоятельство – диаметр излучателя почти во всем диапазоне ВЧ оказывается того же порядка или меньше длины волны. Из-за этого возможна интерференция на самом излучателе вследствие распространения в нем упругих волн. Чтобы не дать им «зацепки» для излучения в воздух как попало, диффузор/купол ВЧ ГГ должен быть как можно более гладким, с этой целью купола делают из металлизированного пластика (он лучше поглощает упругие волны), а металлические купола полируют.

Критерий выбора ВЧ ГГ указан выше: купольные универсальны, а поклонникам классики, требующим обязательно «поющих» мягких верхов, более подойдут диффузорные. Эти лучше брать эллиптические и ставить в АС, ориентируя их длинную ось вертикально. Тогда ДН динамика в горизонтальной плоскости будет шире, а зона стерео больше. Еще в продаже есть ВЧ ГГ со встроенным рупором. Их мощность можно принимать в 0,15-0,2 от мощности НЧ звена. Что до технических качественных показателей, то любая ВЧ ГГ пригодна для Hi-Fi любого уровня, лишь бы по мощности подходила.

Ширики

Это просторечное прозвище широкополосных ГГ (ГГШ), не требующих расфильтровки частотных каналов АС. Излучатель простой ГГШ с общим возбуждением состоит из НЧ-СЧ диффузора и жестко связанного с ним ВЧ конуса, поз. 3. Это т. наз. коаксиальный излучатель, отчего ГГШ называют еще коаксиальными динамиками или попросту коаксиалами.

Идея ГГШ – отдать мембранный режим ВЧ конусу, где он особо не навредит, а диффузор на НЧ и внизу СЧ пусть работает «на поршне», для чего НЧ-СЧ диффузор гофрируют поперек. Так делаются широкополосные ГГ для начального, иногда и среднего Hi-Fi, напр. упоминавшийся 10ГД-36К (10ГДШ-1).

Первые ГГШ с ВЧ конусом пошли в продажу в начале 50-х, но доминирующего положения на рынке так и не достигли. Причина – склонность к переходным искажениям и затягивание атаки звука оттого, что конус от толчков диффузора болтается и хлябается. Слушать, как Мигель Рамос играет на электрооргане «Хаммонд», через коаксиал с конусом невыносимо тягостно.

Коаксиальные ГГШ с раздельным возбуждением НЧ-СЧ и ВЧ излучателей, поз. 4, этого недостатка лишены. В них ВЧ звено приводится в движение отдельной катушкой от ее собственной магнитной системы. Гильза ВЧ катушки проходит сквозь катушку НЧ-СЧ. ПС и магнитные системы расположены коаксиально, т.е. по одной оси.

ГГШ с раздельным возбуждением на НЧ по всем техпараметрам и субъективным оценкам звука не уступают поршневым ГГ. На современных коаксиальных динамиках можно строить очень компактные АС. Недостаток – цена. Коаксиал для высокого Hi-Fi обходится, как правило, дороже комплекта НЧ-СЧ + ВЧ, хотя и дешевле НЧ, СЧ и ВЧ ГГ для 3-полосной АС.

Авто

Автомобильные динамики формально относятся тоже к коаксиальным, но на деле это 2-3 отдельных ГГ в одном корпусе. ВЧ (иногда и СЧ) ГГ подвешиваются перед диффузором НЧ ГГ на кронштейне, см. справа на рис. в начале. Расфильтровка всегда встроенная, т.е. на корпусе всего 2 клеммы для подключения проводов.

Задача у автодинамиков специфическая: прежде всего «перекричать» шумы в салоне автомобиля, поэтому их конструкторы с мембранным эффектом особо не борются. Но динамический диапазон автодинамикам по той же причине нужен широкий, не менее 70 дБ, а их диффузоры делают обязательно с шелком или применяют др. меры подавления высших мембранных мод – хрипеть динамик не должен и в машине на ходу.

Как следствие – автодинамики в принципе пригодны для Hi-Fi до среднего включительно, если подобрать к ним подходящее акустическое оформление. Во все АС, описанные далее, можно ставить автодинамики подходящего размера и мощности, тогда не нужны будут вырез под ВЧ ГГ и расфильтровка. Одно условие: штатные клеммы с зажимами нужно очень аккуратно удалить и поставить взамен них ламели под распайку. Колонки из автомобильных динамиков современной разработки позволяют слушать хороший джаз, рок, даже отдельные произведения симфонической музыки и многие – камерной. Скрипичные квартеты Моцарта они, конечно, не потянут, но ведь такие динамичные и наполненные смыслом опусы слушают очень немногие. Обойдется же пара автодинамиков в несколько раз, до 5 раз, дешевле, чем 2 комплекта ГГ с компонентами фильтров для 2-полосной АС.

Резвые

Friskers, от frisky, так американские радиолюбители прозвали малогабаритные ГГ малой мощности с очень тонким и легким диффузором, во-первых, за высокую отдачу – пара «резвых» по 2-3 Вт озвучивает комнату в 20 кв. м. Во-вторых – за жесткий звук: «резвые» работают только в мембранном режиме.

Производители и продавцы «резвые» в особый класс не выделяют, т.к. они, по идее, не Hi-Fi. Динамик как динамик, в любом китайском радио или дешевых компьютерных колонках такие. Однако на «резвых» можно сделать хорошие колонки для компьютера, обеспечивающие Hi-Fi до среднего включительно в окрестности рабочего стола.

Дело в том, что «резвые» способны воспроизводить весь звуковой диапазон, нужно только уменьшить их КНИ и сгладить АЧХ. Первое достигается добавкой шелка в диффузор, тут нужно ориентироваться по производителю и его (не торговым!) спецификациям. Напр., все ГГ канадской фирмы Edifier с шелком. Кстати, Edifier – французское слово и читается «эдифье», а не «идифайер» на английский манер.

Ровняют АЧХ «резвых» двояко. Мелкие всплески/провалы убирает уже шелк, а бугры и впадины побольше устраняют акустическим оформлением со свободным выходом в атмосферу и демпфирующей предкамерой, см. рис; пример такой АС см. далее.

Выравнивание АЧХ динамиков

Акустика

Зачем вообще нужно акустическое оформление? На НЧ размеры излучателя звука очень малы сравнительно с длиной звуковой волны. Если просто положить динамик на стол, волны от фронтальной и тыльной поверхностей диффузора тут же сойдутся в противофазе, погасят друг друга, и басов вообще слышно не будет. Это называется акустическим коротким замыканием. Просто заглушить динамик с тыла на НЧ нельзя: диффузору придется сильно сжимать малый объем воздуха, отчего частота резонанса ПС «прыгнет» так высоко, что динамик просто не сможет воспроизвести басы. Отсюда следует главная задача любого акустического оформления: либо погасить излучение от тыльной стороны ГГ, либо перевернуть его на 180 градусов и в фазе переизлучить с фронта АС, не допуская в то же время расходования энергии движения диффузора на термодинамику, т.е. на сжатие-расширение
оздуха в корпусе АС. Дополнительная задача – по возможности сформировать на выходе АС сферическую звуковую волну, т.к. в этом случае зона стереоэффекта наиболее широка и глубока, а влияние акустики помещения на звучание АС наименьшее.

Примечание, важное следствие: для каждого корпуса АС конкретного объема с определенным акустическим оформлением существует оптимальный диапазон мощностей возбуждения. Если мощность ИЗ мала, он не раскачает акустику, звук будет тусклый, искаженный, особенно на НЧ. Чрезмерно мощный ГГ уйдет в термодинамику, отчего начнутся запирания.

Назначение корпуса АС с акустическим оформлением – обеспечить наилучшее воспроизведение НЧ. Прочность, устойчивость, внешний вид – само собой. Акустически домашние АС оформляются в виде щита (динамики, встроенные в мебель и строительные конструкции), открытого ящика, открытого ящика с панелью акустического сопротивления (ПАС), закрытого ящика нормального или уменьшенного объема (малогабаритные акустические системы, МАС), фазоинвертора (ФИ), пассивного излучателя (ПИ), рупоров прямого и обратного, четвертьволнового (ЧВ) и полуволнового (ПВ) лабиринтов.

Встроенная акустика – предмет особого обсуждения. Открытые ящики из эпохи ламповых радиол, получить от них в квартире приемлемое стерео нереально. Из прочих начинающему для первой своей АС лучше всего остановить выбор на ПВ лабиринте:

• В отличие от прочих, кроме ФИ и ПИ, ПВ лабиринт позволяет улучшить басы на частотах ниже собственной резонансной частоты динамика НЧ.
• Сравнительно с ФИ ПВ лабиринт конструктивно и в настройке несложен.
• По сравнению с ПИ ПВ лабиринт не требует дорогих покупных дополнительных компонент.
• Коленчатый ПВ лабиринт (см. ниже) создает ГГ достаточную акустическую нагрузку, имея в то же время свободную связь с атмосферой, что дает возможность применять НЧ ГГ и с длинным, и с коротким ходом диффузора. Вплоть до замены в уже построенных АС. Разумеется, только парой. Излученная волна в таком случае будет практически сферической.
• В отличие от всех, кроме закрытого ящика и ЧВ лабиринта, акустическая колонка с ПВ лабиринтом способна сгладить АЧХ НЧ ГГ.
• АС с ПВ лабиринтом конструктивно легко вытягиваются в высокую тонкую колонну, что облегчает их размещение в небольших помещениях.

Насчет предпоследнего пункта – вы удивлены, если опытный? Считайте это одним из обещанных откровений. И см. ниже.

ПВ лабиринт

Лабиринтными часто считают акустическое оформление типа глубокая щель (Deep Slot, разновидность ЧВ лабиринта), поз. 1 на рис., и сверточный обратный рупор (поз. 2). Рупоров мы еще коснемся, а что до глубокой щели, то это фактически ПАС, акустический затвор, обеспечивающий свободную связь с атмосферой, но не выпускающая наружу звук: глубина щели – четверть длины волны частоты ее настройки. В этом легко убедиться, замерив с помощью остронаправленного микрофона уровни звука перед фронтом динамика и в раскрыве щели. Резонанс на кратных частотах подавляется выстилкой щели звукопоглотителем. АС с глубокой щелью тоже демпфирует любые динамики, но повышает их резонансную частоту, хотя и меньше, чем закрытый ящик.

Устройство и принцип действия акустической системы с лабиринтом

Исходный элемент ПВ лабиринта – открытая полуволновая труба, поз. 3. Как акустическое оформление она непригодна: пока волна с тыла доберется до фронта, ее фаза перевернется еще на 180 градусов, и получится все то же акустическое короткое замыкание. На АЧХ ПВ труба дает высокий резкий пик, вызывающий запирание ГГ на частоте настройки Fн. Но что уже важно – Fн и частота собственного резонанса ГГ f (которая выше – Fр) теоретически никак между собой не связаны, т.е. можно рассчитывать на улучшение басов ниже f (Fр).

Простейший способ превратить трубу в лабиринт – перегнуть ее пополам, поз. 4. Это не только сфазирует фронт с тылом, но и сгладит резонансный пик, т.к. пути волн в трубе теперь будут различны по длине. Таким способом в принципе можно сгладить АЧХ до любой наперед заданной степени ровности, наращивая количество колен (оно должно быть нечетным), но на деле использовать более 3-х колен получается очень редко – мешает затухание волны в трубе.

В камерном ПВ лабиринте (поз. 5) колена разбиты на т. наз. резонаторы Гельмгольца – сужающиеся к заднему концу полости. Это еще улучшает демпфирование ГГ, сглаживает АЧХ, уменьшает потери в лабиринте и увеличивает эффективность излучения, т.к. тыльное выходное окно (порт) лабиринта всегда работает с «подпором» со стороны последней камеры. Разгородив камеры на промежуточные резонаторы, поз. 6, можно с диффузорной ГГ добиться АЧХ, почти удовлетворяющей требования абсолютного Hi-Fi, но настройка каждой из пары таких АС требует где-то от полугода (!) труда опытного специалиста. Когда-то в некоем узком кругу лабиринтно-камерную АС с разделением камер прозвали кремоной, с намеком на уникальные скрипки итальянских мастеров.

На деле для получения АЧХ под высокий Hi-Fi оказывается достаточно всего пары камер на колено. Чертежи АС такой конструкции даны на рис; слева – российской разработки, справа – испанской. Та и другая – очень хорошая напольная акустика. «Для полного счастья» россиянке не мешало бы позаимствовать и испанки связи жесткости, поддерживающие перегородку (буковые палочки диаметром 10 мм), а взамен дать сглаживание изгиба трубы.

Чертежи напольных акустических систем с лабиринтом

В обеих этих АС проявляется еще одно полезное свойство камерного лабиринта: его акустическая длина больше геометрической, т.к. звук несколько задерживается в каждой камере, прежде чем пройдет дальше. По геометрии эти лабиринты настроены где-то на 85 Гц, но измерения показывают 63 Гц. Реально нижняя граница частотного диапазона оказывается 37-45 Гц в зависимости от типа НЧ ГГ. Если динамики с расфильтровкой от S-30B переставить в такие корпуса, звук меняется поразительно. В лучшую сторону.

Чертеж акустической системы Jet Flow

Диапазон мощностей возбуждения для данных АС – 20-80 Вт пиковых. Звукопоглощающая выстилка там и там – синтепон 5-10 мм. Настройка не всегда необходима и несложна: если бас глуховатый, порт симметрично с обоих сторон прикрывают кусочками пенопласта до получения оптимального звучания. Делать это нужно не спеша, каждый раз прослушивая по 10-15 мин один и тот же отрезок фонограммы. В нем обязательно должны быть сильные СЧ с крутой атакой (контроль СЧ!), напр., скрипка.

Jet Flow

Камерный лабиринт успешно сочетается с обычным извитым. Пример – настольная акустическая система Jet Flow (реактивный поток) разработки американских радиолюбителей, произведшая в 70-х настоящий фурор, см. рис. справа. Ширина корпуса по внутри – 150-250 мм под динамики 120-220 мм, в т.ч. «резвые» и автодинамики. Материал корпуса – сосна, ель, МДФ. Звукопоглощающая выстилка и настройка не требуются. Диапазон мощностей возбуждения – 5-30 Вт пиковых.

Примечание: с Jet Flow сейчас путаница - под тем же брендом идут в продажу струйные излучатели звука.

Для резвых и компьютера

Сгладить АЧХ автодинамиков и «резвых» можно и в обычном извитом лабиринте, устроив перед входом в него компрессионную демпфирующую (не резонирующую!) предкамеру, обозначена K на рис. ниже.

Мини акустическая система для ПК (домашнего компьютера)

Эта мини-акустика предназначена для ПК взамен старой дешевой. Динамики используются те же, но как они звучать начинают – просто удивительно. Если диффузор с шелком, иначе смысла нет огород городить. Дополнительное достоинство – цилиндрический корпус, на котором интерференция СЧ близка к минимальной, меньше она только на сферическом корпусе. Рабочее положение – с наклоном вперед-вверх (АС – звуковой прожектор). Мощность возбуждения – 0,6-3 Вт номинальных. Сборка производится в след. порядке (клей – ПВА):

• На дет. 9 клеят пылевой фильтр (можно использовать обрывки капроновых колготок);
• Дет. 8 и 9 оклеивают синтепоном (обозначено желтым на рис.);
• Собирают пакет перегородок на стяжке и проставках;
• Вклеивают синтепоновые кольца, обозначенные зеленым;
• Пакет оборачивают, проклеивая, ватманом до толщины стенок в 8 мм;
• Обрезают корпус в размер и оклеивают предкамеру (выделено красным);
• Вклеивают дет. 3;
• После полной просушки шкурят, красят, приделывают подставку, монтируют динамик. Провода к нему проходят по изгибам лабиринта.

О рупорах

У рупорных АС высокая отдача (вспомните, зачем он вобще, рупор-то). Старая 10ГДШ-1 через рупор орет так, что уши вянут, а соседи «счастливы по самое не могу», отчего рупорами многие и увлекаются. В домашних АС используются извитые рупоры как менее громоздкие. Обратный рупор возбуждается тыльным излучением ГГ и с ПВ лабиринтом сходен тем, что поворачивает фазу волны на 180 градусов. Но в остальном:

1. Конструктивно и технологически много сложнее, см. рис. ниже.
2. Не улучшает, а наоборот, портит АЧХ АС, т.к. АЧХ любого рупора неравномерна и рупор не является резонирующей системой, т.е. исправить его АЧХ нельзя в принципе.
3. Излучение из порта рупора существенно направленно, а волна его скорее плоская, чем сферическая, так что хорошего стереоэффекта ждать не приходится.
4. Не создает значительной акустической нагрузки ГГ и в то же время требует значительной мощности для возбуждения (еще вспомним – шепчут ли в переговорный рупор). Динамический диапазон рупорных АС можно вытянуть в лучшем случае до базового Hi-Fi, и у поршневых динамиков с очень мягким подвесом (стало быть, хороших и дорогих) диффузор при установке ГГ в рупор вырывается очень даже не редко.
5. Дает призвуков больше любого другого типа акустического оформления.

Чертежи акустической системы с обратным рупором

Корпус

Корпус для динамиков лучше всего собирать на буковых шкантах и клею ПВА, его пленка сохраняет демпфирующие свойства долгие годы. Для сборки одну из боковин кладут на пол, ставят днище, крышку, переднюю и заднюю стенку, перегородки, см. рис. справа, и накрывают другой боковиной. Если наружные поверхности идут под окончательную отделку, можно использовать стальной крепеж, но обязательно с проклеиванием и герметизацией (пластилин, силикон) не клеевых швов.

Сборка корпусов акустических систем

Гораздо большее значение для качества звучания имеет выбор материала корпуса. Идеальный вариант – музыкальная ель без сучков (они источник призвуков), но найти ее большие доски для АС нереально, елки ведь очень суковатые деревья. Что до пластиковых корпусов АС, то они хорошо звучат только промышленного производства цельнолитые, а любительские самоделки из прозрачного поликарбоната и пр. это средства самовыражения, а не акустика. Скажут вам, что такая хорошо звучит – попросите включить, послушайте и поверьте ушам своим.

Вообще с натуральными древесными материалами для АС туго: совершенно прямослойная сосна без дефектов дорога, а прочие доступные строительные и мебельные породы дают призвуки. Лучше всего использовать МДФ. Упомянутая выше Edifier давно уже полностью на нее перешла. Пригодность любого прочего дерева для АС можно определить след. образом:

1. Тест производится в тихом помещении, в котором самому нужно предварительно пробыть в тишине от получаса;
2. Отрезок доски длиной ок. 0,5 м кладут на призмы из отрезков стального уголка, уложенные на расстоянии 40-45 см друг от друга;
3. Костяшкой согнутого пальца стучат прим. в 10 см от любой из призм;
4. Повторяют простукивание точно по центру доски.

Если в обоих случаях малейшего подзвона не слышно, материал пригоден. Тем лучше, чем мягче, глуше и короче звук. По результатам такого теста можно сделать хорошие АС даже из ДСП или ламината, см. видео ниже:

Видео: простая колонка из ламината для телефона своими руками

Шипы

Напольные и настольные АС устанавливаются на специальные ножки – акустические шипы – исключающие обмен вибрациями АС с полом или столешницей. Акустические шипы есть в продаже, но цены – сами понимаете, специзделие. Так вот, точно такими же конфигурацией (цилиндр, переходящий в конус с закругленным носиком) и свойствами материала обладают грузики для строительных и плотничных отвесов. Цена – сами понимаете. Любые колонки смело ставьте на шипы из грузиков для отвесов, с необычной для них задачей они справятся прекрасно.

Прежде всего, давайте разберемся с терминами, поскольку понятия «громкоговоритель», «колонка», «динамик», «акустическая система» часто используют наугад, создавая изрядную путаницу.

Громкоговоритель – это устройство, предназначенное для эффективного излучения звука в окружающее пространство в воздушной среде, содержащее одну или несколько головок громкоговорителей при наличии акустического оформления и электрических устройств (фильтры, регуляторы и т.д.).

В отечественной технической литературе сложилась ошибочная практика, в соответствии с которой термин «громкоговоритель» (ГГ) применяется в основном для одиночного громкоговорителя (в зарубежных каталогах он определяется как loudspeaker units или loudspeaker drive element, или driver). В соответствии с требованиями ГОСТ 16122-87 одиночный громкоговоритель должен обозначаться как головка громкоговорителя .

К набору громкоговорителей классов Hi-Fi и Hi-End часто применяют термин акустическая система (AC) (acoustical system или loudspeaker system). Акустическая система включает в себя акустические колонки .

В зависимости от назначения АС существенно различаются по параметрам, конструктивному исполнению и дизайну. Основные виды акустических систем, представленных на современном рынке, условно можно разделить на несколько категорий в зависимости от области их применения:

• АС для домашнего применения, которые в свою очередь можно подразделить на системы:
• массовые;
• категории Hi-Fi и High-End;
• АС для домашних аудио видео комплексов типа «Домашний кинотеатр» (Home-Theatre);
• для современных компьютерных систем (AC Multi-Media) и др.;
• АС для систем озвучивания и звукоусиления, в том числе для конференц-систем и систем перевода речей (к ним, в частности, относятся потолочные акустические системы);
• концертно-театральные АС;
• студийные АС;
• автомобильные (и вообще транспортные) АС;
• АС для индивидуального прослушивания (головные стерео телефоны).

Устройство АС

АС могут быть однополосными и многополосными . Однополосные АС используются, как правило, в массовой аппаратуре бюджетного сектора. В высококачественных АС (рис. 1) используется многополосный принцип построения, поскольку применение одной широкополосной головки громкоговорителя не позволяет обеспечить высокое качество звучания.

АС состоит, как правило, из:

• головок громкоговорителей , каждая из которых (или несколько одновременно) работают в своем частотном диапазоне;
• корпуса ;
• фильтрующе-корректирующих цепей , а также других электронных устройств (например, для защиты от перегрузок, индикации уровня и т.д.);
• звуковых кабелей и входных клемм;
• усилителей для активных акустических систем и кроссоверов (активных фильтров).

Рис. 1. Акустическая система Defender

Головки громкоговорителей

Головки громкоговорителей классифицируются по принципу действия, по способу излучения, по полосе передаваемых частот, по области применения и т.д.

По принципу действия , т.е. по способу преобразования электрической энергии в акустическую, громкоговорители делят на электродинамические, электростатические, пьезокерамические (пьезопленочные), плазменные и др.

Подавляющее большинство головок громкоговорителей электродинамические («динамические» или просто «динамики»). Их принцип действия основан на движении в постоянном магнитном поле проводника или катушки, питаемых переменным током (рис. 2).

Рис. 2. Электродинамический катушечный громкоговоритель

Головка электродинамического громкоговорителя состоит из подвижной системы, магнитной цепи и диффузородержателя (1).

Подвижная система включает в себя подвес (2), диафрагму (3), центрирующую шайбу (4), пылезащитный колпачок (5), звуковую катушку (6) и гибкие выводы.

При пропускании переменного тока по звуковой катушке, помещенной в радиальный зазор магнитной цепи, на нее будет действовать механическая сила. Под действием этой силы возникают осевые колебания катушки и скрепленной с ней диафрагмы. Конструкция электродинамического громкоговорителя очень похожа на конструкцию динамического микрофона, поэтому, в принципе, из динамического микрофона можно получить слабенькую головку громкоговорителя, а из головки громкоговорителя – микрофон. Понятно, что работать все это будет отвратительно, но работать будет.

Рис. 3. Ленточный громкоговоритель

Ленточные громкоговорители (рис. 3) используют тонкую металлическую ленточку, которая помещается в магнитное поле между полюсами магнита и служит одновременно и проводником тока и колеблющимся излучающим элементом.

Ленточные головки гораздо эффективнее динамических, пьезоэлектрических и других, поскольку если площадь конического или купольного диффузора – это площадь видимого круга, то активная площадь ленточного излучателя – это полная развертка сложенной мембраны (эффективная площадь в 2,5 раз больше площади проекции сложенной ленты). Таким образом, для получения необходимого уровня звукового давления требуется меньшее перемещение диффузора.

Рис. 4. Электростатический громкоговоритель

Электростатические громкоговорители (рис. 4) используют излучающий элемент в виде тонкой металлизированной пленки (1) толщиной порядка 6...10 мкм, помещенной между перфорированными электродами (2) (т.е. это конденсатор переменной емкости, где одной из обкладок служит тонкая металлизированная подвижная мембрана). Между мембраной и электродами приложено высокое поляризующее напряжение порядка 8...10 кВ. Переменное звуковое напряжение, под действием которого мембрана колеблется и излучает звук, подводится к неподвижным электродам. Громкоговорители такого типа обеспечивают чистоту и прозрачность звучания за счет малых уровней переходных искажений.

Рис. 5. Модельный ряд электростатических громкоговорителей Final

Рис. 6. Центральный громкоговоритель электростатической АС. Model 200

На рис. 5 показан модельный ряд электростатических громкоговорителей Final, а на рис. 6 – крупным планом центральный громкоговоритель АС.

Рис. 7. Пьезопленочный громкоговоритель

Пьезокерамические (пьезопленочные) громкоговорители (рис. 7) используются в основном в качестве высокочастотного звена в акустических системах. В качестве возбуждающего элемента в них применяется биморфный элемент, полученный путем соединения двух пластин (1), (3) из пьезокерамики (цирконата титана, титаната бария и др.). Биморфный элемент закрепляется с двух сторон, при подведении электрического сигнала в нем происходят изгибные деформации, которые передаются соединенной с ним диафрагме (2). Разновидностью такого типа громкоговорителей являются пьезопленочные излучатели, в них используются высокополимерные пленки, которым при помощи специально отработанной технологии придаются пьезоэлектрические свойства (при их поляризации в сильном магнитном поле). Если такой пленке придать форму купола или цилиндра, то под действием приложенного к ней переменного напряжения она начинает вибрировать и излучать звук, для таких громкоговорителей не требуется применение магнитной цепи.

По способу излучения акустической энергии головки громкоговорителей делятся на головки прямого излучения, у которых диафрагма излучает звук непосредственно в окружающую среду, и рупорные (рис. 8), у которых диафрагма излучает звук через рупор. Если рупорный громкоговоритель имеет предрупорную камеру, то он называется узкогорлым рупорным громкоговорителем, а если используется только рупор, то это широкогорлый рупорный громкоговоритель.

Рис. 8. Рупорный громкоговоритель

Рупорные громкоговорители широко используют при создании систем озвучивания улиц, стадионов, площадей, систем звукоусиления в различных помещениях, бытовых высококачественных систем, систем оповещения и др.

Причины распространения рупорных громкоговорителей обусловлены, прежде всего, тем, что они обладают большей эффективностью, их КПД составляет 10-20 % и более (в обычных громкоговорителях КПД меньше 1...2 %); кроме того, применение жестких рупоров позволяет формировать заданную характеристику направленности, что очень важно при проектировании систем звукоусиления. Однако при использовании рупорных громкоговорителей возникают проблемы, связанные с тем, что для излучения низких частот необходимо значительно увеличивать размеры рупора, а большие уровни звукового давления в предрупорной камере создают дополнительные нелинейные искажения.

Конструкция головок громкоговорителей зависит от того, в какой полосе частот они должны работать. По этому признаку громкоговорители разделяются на:

• широкополосные (OO «full-range»);
• низкочастотные (воспроизводимый диапазон примерно 20-40...500-1000 Гц) («woofer», «subwoofer»);
• среднечастотные (диапазон 0,3-0,5...5-8 кГц) («mid-range»);
• высокочастотные (1-2..16-30 кГц) («tweeter») и др.

Большая часть мощности аудиосигналов обычно приходится на низкочастотные ГГ, поэтому они должны воспринимать нагрузки до 200 Вт и более, сохраняя тепловую и механическую прочность. Эти ГГ имеют низкую резонансную частоту (16...30 Гц) и должны быть рассчитаны на большой ход подвижной системы вплоть до ±12...15 мм.

Внешний вид современного низкочастотного ГГ для высококачественных АС показан на рис. 9.

Основным излучающим элементом громкоговорителя является диафрагма. Диафрагмы современных низкочастотных ГГ изготавливаются из сложных композиций на основе натуральной длинноволокнистой целлюлозы с различными добавками. Иногда в состав такой композиции входит до 10-15 составляющих. Все шире используют синтетические пленочные композиции на основе полиолефинов (полипропилена и полиэтилена) и композиционные материалы на основе ткани «кевлар».

Рис. 9. НЧ громкоговоритель

АС для домашних кинотеатров, (особенно центрального и фронтальных каналов, а также сабвуфера) требует применения тщательно экранированных НЧ ГГ.

Среднечастотные громкоговорители (СЧ ГГ) используются в диапазоне ча- стот от 200... 800 Гц до 5...8 кГц, где чувствительность слуха ко всем видам ис- кажений максимальна, поэтому требования к их качеству наиболее жесткие.

Высокочастотные громкоговорители (ВЧ ГГ). (рис. 10). Требования к ним за последние годы резко возросли в связи с увеличением спектральной плотности мощности в высокочастотной части спектра в современной электронной музыке, расширением частотного и динамического диапазона программ, воспроизводимых цифровой звуковоспроизводящей аппаратурой и др.

В современных АС высокочастотные ГГ используются, как правило, в диапазоне частот от 2...5 до 30...40 кГц. Обеспечить равноценное качественное воспроизведение звука в таком широком диапазоне при помощи одного ГГ чрезвычайно трудно. Поэтому большая часть выпускаемых в настоящее время ВЧ ГГ применяются в диапазоне от 2... 5 до 16... 18 кГц, а в некоторых АС устанавливаются дополнительные малогабаритные ВЧ ГГ (воспроизводящие частоты от 8... 10 до 30... 40 кГц).

Рис. 10. ВЧ ГГ

Потолочные громкоговорители

Потолочные громкоговорители – это, как правило, электродинамические диффузорные громкоговорители, заключенные в пластиковые или металлические корпуса. Их используют для озвучивания помещений и в системах аварийного оповещения зданий. Благодаря большому углу раскрытия диаграммы направленности звука и широкому диапазону воспроизводимых частот потолочные громкоговорители способны довольно качественно воспроизводить звук, кроме того, они гармонично вписываются практически в любой интерьер.

Потолочные громкоговорители обеспечивают более равномерное по сравнению с другими громкоговорителями распределение звука по объему помещения и не требуют при этом установки мощных усилителей. Их применение особенно эффективно для озвучивания больших помещений с высотой потолка до 5 м.

Для удобства монтажа корпус потолочного громкоговорителя снабжается специальными приспособлениями: подпружиненными упорами, полозьями или кронштейнами. Многие громкоговорители крепятся к потолочным плитам с помощью шурупов. В отличие от «обычных» систем озвучивания, системы на основе потолочных громкоговорителей высоковольтные, типичное значение напряжения в линии составляет 100 В, поэтому потолочные громкоговорители имеют встроенные трансформаторы.

При проектировании системы оповещения расчет необходимого количества потолочных громкоговорителей и схемы их размещения (рис. 11) производится исходя из требуемого уровня звукового давления на уровне ушей слушателей (обычно берется среднее значение 1,5 м). Для помещений с высотой потолка менее 5 метров такой расчет не представляет трудностей и производится по приближенным формулам. В таблице 1 для определенной высоты потолков и площади помещения указано количество потолочных громкоговорителей, которое дает наилучшее качество звука и наиболее равномерное распределение звуковых волн.

Рис. 11. Схема размещения потолочных громкоговорителей

Параметр S в таблице – это приблизительная площадь, которую озвучивает один потолочный громкоговоритель:

S = {2х(H – 1,5 м)}2, где Н – высота потолка.

Таблица 1. К расчету системы оповещения

В таблице:
P – звуковое давление на уровне 1,5 м, когда потолочный громкоговоритель работает на полную мощность;
P/2 – звуковое давление на уровне 1,5 м, когда потолочный громкоговоритель работает на половину максимальной мощности;
H – высота потолка;
S – площадь помещения.

Если высота потолков больше 5 метров, устанавливать потолочные громкоговорители не рекомендуется. Однако если необходимо использовать именно потолочные громкоговорители, следует принять меры для повышения равномерности распределения звука и снижения эффекта реверберации (эха). Если потолочные громкоговорители размещены слишком близко друг к другу, то на уровне ушей слушателей звук будет распределяться неравномерно. Если увеличить расстояние между соседними громкоговорителями, то уровень звукового давления может оказаться недостаточным для хорошей слышимости. Повышение уровня звука громкоговорителей в этом случае влечет за собой увеличение реверберации, особенно в помещениях, отделанных стеклом, мрамором и т.д. Реверберацию можно снизить с помощью звукопоглощающих материалов: ковров, гобеленов, портьер и др.

На рис. 12 и 13 показаны примеры врезных и навесных потолочных громкоговорителей компании Kramer Electronics.

Корпус акустической системы. Основные виды корпусов и их назначение

Корпус АС выполняет многообразные функции. В области НЧ он блокирует эффект «акустического короткого замыкания», возникающий за счет сложения излучаемого звука от передней и тыловой поверхности диафрагмы в противофазе, что приводит к подавлению низкочастотного излучения.

Применение корпуса позволяет увеличить интенсивность излучения на низких частотах, а также увеличить механическое демпфирование громкоговорителей, что позволяет «сгладить» резонансы и уменьшить неравномерность амплитудно-частотной характеристики. Корпус оказывает существенное влияние не только в области низких, но и в области средних и высоких частот. Правильно спроектированный и изготовленный корпус оказывает огромное влияние на качество звука.

При проектировании корпусов АС чаще всего используют такие варианты конструктивного оформления, как бесконечный экран, закрытый корпус, корпус с фазоинвертором, лабиринт, трансмиссионная линия и др.

Бесконечный экран возникает, когда громкоговорители устанавливаются в стене комнаты с достаточно большим объемом за ним. Для такой установки громкоговорителей характерен эффект «бубнения» на низких частотах, поскольку отсутствует демпфирование.

Закрытый корпус. В современных АС применяют в основном закрытые корпуса компрессионного типа. Принцип работы компрессионного оформления состоит в том, что в них используются громкоговорители с очень гибким подвесом и большой массой, т.е. низкой резонансной частотой. В этом случае упругость воздуха в корпусе становится определяющим фактором, именно она начинает вносить основной вклад в возвращающую силу, приложенную к диафрагме.

Корпус с фазоинвертором – корпус, в котором сделано отверстие, что позволяет использовать излучение тыльной поверхности диффузора. Максимальный эффект достигается в области частоты резонанса колебательной системы, образуемой массой воздуха в отверстии или трубе и массой воздуха в корпусе.

Корпуса с фазоинвертором (рис. 14 а) имеют много разновидностей. Корпус, использующий специальную трубу, вставленную в отверстие, позволяет уменьшить размеры корпуса и при помощи регулировки размеров трубы настраивать фазоинвертор (рис. 14 б).

Если в отверстие корпуса устанавливается пассивный (т.е. без магнитной цепи) громкоговоритель, колебания которого возбуждаются за счет колебаний объема воздуха, заключенного в корпус, то такой корпус называется корпусом с пассивным излучателем (рис. 14 в).

Рис. 14. Корпус АС с различными вариантами фазоинверторов: а – фазоинвертор; б – фазоинвертор с трубой; в – пассивный излучатель

Лабиринт представляет собой вариант корпуса с фазоинвертором, в котором устанавливаются специальные перегородки. Когда длина лабиринта достигает 1/4 длины волны на частоте резонанса низкочастотного громкоговорителя, он действует аналогично фазоинвертору. Применение лабиринта расширяет возможности для настройки на более низкие частоты. Резонансы на гармониках от основной резонансной частоты трубы демпфируются звукопоглощающими материалами на стенках корпуса (рис. 15 а).

Рис. 15. Корпус АС типа лабиринта (а) и типа трансмиссионной линии (б)

Трансмиссионная линия – это разновидность лабиринта. Она отличается от лабиринта тем, что звукопоглощающим материалом забивается весь объем корпуса, и поперечное сечение линии делается переменным – больше у конуса, меньше у отверстия (рис. 15 б). Корпуса такого типа очень сложны в настройке.

Если в корпусе установлены две одинаковых ГГ на один фазоинвертор, то это называется «низкочастотное оформление с симметричной нагрузкой». Такое оформление часто используют в сабвуферах.

Лучше звучат АС со сглаженными углами, обтекаемой формы, с несимметричным расположением ГГ, однако изготавливать корпуса таких АС сложно и дорого, поэтому подавляющее большинство АС выпускается в корпусах прямоугольной формы. Для уменьшения дифракционных эффектов на углах передней панели применяются специальные меры, в том числе размещение звукопоглощающих материалов («акустическое одеяло»), оптимизация соотношения размеров передней панели и глубины корпуса, подбор несимметричного расположения громкоговорителей и др.

Стремление сдвинуть дифракционные пики-провалы на АЧХ в более высокочастотную область и тем самым снизить их влияние заставляет использовать максимально узкие передние панели. Сложные внешние конфигурации многих современных АС обусловлены не только эстетическими соображениями, но и стремлением уменьшить дифракционные эффекты. Чтобы снизить излучение звука от стенок АС, обычно стараются увеличить их жесткость и массу.

В современных АС корпус представляет собой довольно сложную и дорогостоящую конструкцию (рис. 16). В качестве критерия эффективности принятых мер по звукоизоляции корпуса принято считать разницу между уровнем звукового давления, излучаемого стенками корпуса и уровнем звукового давления от акустической системы в целом, она должна составлять не менее 20 дБ.

Рис. 16. Разрез АС

Кроме объективных измерений, при проектировании проводится прослушивание АС в корпусах различной конструкции.

Фильтрующе-корректирующие цепи

Обеспечить качественное воспроизведение звука с помощью однополосной АС практически невозможно или сложно, поэтому они применяются только в бюджетных решениях, например, в дешевых колонках для компьютеров. Высококачественные АС за редкими исключениями являются многополосными. Для того, чтобы подать на каждую ГГ сигналы своего частотного поддиапазона, используют электрические разделительные фильтры («кроссоверы»).

В большинстве АС для домашнего применения используются т.н. пассивные фильтры, которые включают между усилителем и громкоговорителем (рис. 17).

Рис. 17. Пассивные фильтры («пассивные кроссоверы») в АС

Пассивные фильтры обычно размещаются внутри АС, увеличивая их массу и габариты. Пассивные фильтры в АС бывают первого, второго, третьего и четвертого порядка. Крутизна спада фильтров первого порядка – 6 дБ/октаву, второго – 12 дБ/октаву, третьего – 18 дБ/октаву и четвертого – 24 дБ/октаву.

Простейшие фильтры – это фильтры первого порядка, они занимают мало места и недороги, но имеют недостаточную крутизну спада полос пропускания. Положительная черта этих фильтров – отсутствие фазового сдвига между твиттером (ВЧ-головкой) и другим динамиком.

Фильтры второго порядка (или фильтры Баттерворта, по имени создателя математической модели этих фильтров) обладают более высокой чувствительностью, но дают фазовый сдвиг в 180 градусов, что означает несинхронный ход мембран ВЧ-головки и другого динамика. Для устранения этой проблемы необходимо поменять полярность подключения проводов на твиттере.

Фильтры третьего порядка имеют хорошие фазовые характеристики при любой полярности подключения. На рис. 18 показана АЧХ фильтра третьего порядка, а на рис. 19 – его электрическая схема.

Рис. 18. АЧХ фильтра третьего порядка

Рис. 19. Электрическая схема фильтра третьего порядка

Рис. 20. АЧХ трехполосного фильтра

В трехполосных АС АЧХ фильтра выглядит так, как показано на рис. 20.

Фильтры Баттерворта четвертого порядка имеют высокую крутизну спада полосы пропускания, что резко уменьшает взаимовлияние динамиков в области разделения частот. Сдвиг по фазе составляет 360 градусов, то есть на практике он отсутствует. Однако проблема состоит в том, что у таких фильтров величина фазового сдвига непостоянна, что может вызвать неустойчивую работу АС. Оптимизировать схему фильтра четвертого порядка применительно к АС удалось Линквицу и Рили. Их фильтр состоит из двух последовательно соединенных фильтров Баттерворта второго порядка для ВЧ ГГ и для НЧ ГГ. Такой фильтр не имеет фазовых сдвигов и позволяет проводить временную коррекцию для динамиков, не излучающих звук в одной плоскости. Эти фильтры обеспечивают самые лучшие акустические характеристики.

В «активных» АС со встроенными многополосными усилителями применяются активные фильтры, включенные до усилителя и также называемые кроссоверами (рис. 21).

Рис. 21. Использование кроссоверов

По сравнению с пассивными, активные фильтры имеют ряд преимуществ: меньшие габариты, лучшую перестраиваемость частот раздела, большую стабильность характеристик и т.д. Однако пассивные фильтры обеспечивают больший динамический диапазон, меньший уровень шумов и нелинейных искажений. К числу их недостатков можно отнести температурную нестабильность, что приводит к изменению формы АЧХ при повышении уровня подводимого сигнала (так называемая «компрессия мощности»), а также необходимость тщательного выбора высокоточных элементов (резисторов, конденсаторов и т.д.), к разбросу параметров которых характеристики фильтров могут быть очень чувствительны. В последние годы ряд зарубежных фирм начали применять в акустических системах цифровые фильтры, обеспечивающие в реальном времени функции фильтрации, коррекции и адаптации к реальным условиям прослушивания.

Кроме фильтров, в современных акустических системах достаточно часто используются электронные устройства для защиты громкоговорителей от тепловых и механических перегрузок. Защита как от длительных, так и от кратковременных (пиковых) перегрузок осуществляется с применением различных вариантов пороговых схем, пороги срабатывания которых должны быть меньше, чем тепловые постоянные головок громкоговорителей (Т = 10...20 мс). Кроме того, во многих бытовых системах используются различные варианты индикации перегрузок.

Основные характеристики АС

Характеристик АС существует довольно много, одни из них имеют большее значение для пользователя, другие меньшее, отечественные и зарубежные характеристики АС и методики их измерения не всегда совпадают. Мы кратко рассмотрим только основные характеристики АС.

Эффективный рабочий (эффективно воспроизводимый) диапазон частот – диапазон, в пределах которого уровень звукового давления, развиваемого АС, не ниже заданного, по отношению к уровню, усредненному в определенной полосе частот. В рекомендациях МЭК 581–7 минимальные требования к этому параметру составляют 50 – 12500 Гц при спаде 8 дБ по отношению к уровню, усредненному в полосе частот 100 – 8000 Гц.

Значение этой характеристики сильно влияет на естественность звучания акустики. Чем ближе рабочий диапазон АС к максимальному диапазону, воспринимаемому органами слуха человека (16 – 20000 Гц), тем лучше, естественнее звучит АС. Эффективный рабочий диапазон зависит от характеристик головок громкоговорителей, от акустического оформления АС и от параметров разделительного фильтра (кроссовера).

На низких частотах решающую роль играет объем корпуса АС. Чем он больше, тем более эффективно воспроизводятся низкие частоты, поэтому, в частности, сабвуферы всегда довольно громоздки. С воспроизведением высоких частот проблем обычно не возникает, поскольку современные твиттеры позволяют воспроизводить даже ультразвук. Нередко диапазон воспроизводимых частот АС превышает верхнюю границу слышимости человека. Считается, что в этом случае более точно передается тембр сложной фонограммы, например, симфонической музыки. Типичные значения: 100 – 18000 Гц для полочной акустики и 60 – 20000 Гц для напольной.

Серьезные производители АС обычно приводят график звукового давления, развиваемого АС в зависимости от частоты (график амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), по которому можно определить эффективный рабочий диапазон частот АС и неравномерность АЧХ.

Степень неравномерности АЧХ характеризуется отношением максимального значения звукового давления к минимальному, или по другой методике, отношением максимального (минимального) значения к среднему, в заданном диапазоне частот, выраженное в децибелах. В рекомендациях МЭК 581-7, определяющих минимальные требования к аппаратуре Hi-Fi, указывается, что неравномерность АЧХ не должна превышать ±4 дБ в диапазоне 100 – 8000 Гц.

Характеристика направленности позволяет оценить пространственное распределение излучаемых акустической системой звуковых колебаний, и оптимально расположить акустические системы в различных помещениях. Об этом параметре позволяет судить диаграмма направленности АС, представляющая собой зависимость уровня звукового давления от угла поворота АС относительно его рабочей оси в полярных координатах, измеренная на одной или нескольких фиксированных частотах. Иногда спад амплитудно частотной характеристики при повороте АС на некоторый фиксированный угол, отображается на основном графике, в виде дополнительных ответвлений АЧХ.

Характеристическая чувствительность – это отношение среднего звукового давления, развиваемого АС в заданном диапазоне частот (обычно 100 – 8000 Гц) на рабочей оси, приведенное к расстоянию 1 м и подводимой электрической мощности 1 Вт. В большинстве моделей АС категории Hi-Fi уровень характеристической чувствительности составляет 86-90 дБ (в технической литературе вместо дБ часто указывается дБ/м/Вт). Существуют высококачественные широкополосные АС с чувствительностью 93 – 95 дБ/м/Вт и более.

Характеристическая чувствительность определяет, какой динамический диапазон способна обеспечить АС. Широкий динамический диапазон позволяет с большой достоверностью воспроизводить сложные музыкальные произведения, особенно джазовую, симфоническую, камерную музыку.

Коэффициент нелинейных искажений характеризует появление в процессе преобразования отсутствовавших в исходном сигнале спектральных составляющих, искажающих его структуру, то есть, в конечном счете, точность воспроизведения. Это очень важный параметр, поскольку вклад АС в общий коэффициент нелинейных искажений всего звукового тракта, как правило, является максимальным. Например, коэффициент нелинейных искажений современного усилителя составляет сотые доли процента, в то время как типичное значение этого параметра для АС – единицы процентов. При увеличении мощности сигнала коэффициент нелинейных искажений возрастает.

Электрическая (акустическая) мощность – определяет уровень звукового давления и динамический диапазон (с учетом характеристической чувствительности), который потенциально может обеспечить АС в определенном помещении.

Используется несколько определяемых разными стандартами видов мощностей:

Характеристическая мощность , при которой АС обеспечивает заданный уровень среднего звукового давления. В рекомендациях МЭК значение этого уровня установлено 94 дБ на расстоянии 1 метр.

Максимальная (предельная) шумовая или паспортная мощность, при которой АС может длительное время работать без механических и тепловых повреждений при испытаниях специальным шумовым сигналом, близким по спектру реальным музыкальным программам (розовый шум). По методике измерений она совпадает с паспортной мощностью, определяемой в отечественных стандартах.

Максимальная (предельная) синусоидальная мощность – мощность непрерывного синусоидального сигнала в заданном диапазоне частот, при которой АС может длительно работать без механических и тепловых повреждений.

Максимальная (предельная) долговременная мощность, которую акустика выдерживает без механических и тепловых повреждений в течение одной минуты, при таком же испытательном сигнале, как и для паспортной мощности. Испытания повторяются 10 раз с интервалом в 1 минуту.

Максимальная (предельная) кратковременная мощность, которую выдерживает АС при испытании шумовым сигналом с таким же распределением, как и для паспортной мощности, в течение 1 секунды. Испытания повторяются 60 раз с интервалом в 1 минуту.

Пиковая (максимальная) музыкальная мощность – излюбленный параметр для характеристики АС непонятного происхождения. Методика измерения, определяемая немецким стандартом DIN 45500, следующая: на АС подается сигнал частотой ниже 250 Гц и длительностью менее 2 секунд. Акустика считается прошедшей испытания, если при этом нет заметных на слух искажений. Понятно, что «под заметными на слух искажениями» можно понимать что угодно. В результате на корпусах АС от никому не известных производителей появляются наклейки типа «P.M.P.O. … (или Musical Power…)…100!, …200! и даже… …1000 Wt!». Понятно, что о хоть сколько-нибудь качественном звуке, создаваемом такими АС, говорить не приходится.

При выборе АС для УНЧ желательно, чтобы реальная максимальная мощность АС превышала мощность усилителя приблизительно на 30 и более процентов. В этом случае вы будете застрахованы от выхода из строя акустики из-за подачи на нее сигнала недопустимо большого уровня. Конечно, хорошие АС имеют схемы защиты от перегрузки, но лучше не рисковать.

Какая мощность усилителя достаточна для качественного воспроизведения звука? Во многом это определяется параметрами помещения, характеристиками акустических систем, потребностями самого слушателя. При выборе усилителя для озвучивания небольшой жилой комнаты можно считать, что мощность усилителя должна быть не менее 20 Вт.

Наиболее распространенные значения электрического (входного) сопротивления (импеданса) : 4, 8 или 16 Ом. Этот параметр важен при выборе усилителя, с которым будет работать АС. Следует использовать АС с сопротивлением, соответствующим указанному в паспорте усилителя. Такое решение будет обеспечивать идеальное согласование характеристик акустики и усилителя, то есть наилучшее качество звука.

Измерения характеристик АС в условиях, отличающихся от условий специально оборудованных акустических лабораторий заводов-изготовителей – дело чрезвычайно сложное, дорогостоящее и, главное, дающее очень приблизительные результаты. Высококачественные звуковые анализаторы и измерительные микрофоны с предусилителями, удовлетворяющие всем международным требованиям проведения измерений, чрезвычайно дороги и далеко не всякая российская фирма может себе позволить их приобретение. Правда, современные методики измерения в большинстве случаев позволят обойтись без акустически заглушенной камеры.

Аудио кабели

Аудио кабели – это, на первый взгляд, наименее важный компонент аудио подсистемы инсталляции или домашнего кинотеатра, поэтому их часто приобретают, что называется «на сдачу». И совершают серьезную ошибку.

Понятно, что любой кабель влияет на проходящий по нему сигнал. Вопрос состоит в том, как именно кабель влияет на сигнал и насколько сильно это влияние.

Выбор аудио кабелей определяется параметрами качества аудио сигнала с одной стороны и конструктивно-финансовыми соображениями с другой. Действительно, при выполнении некоторых инсталляций приходится прокладывать сотни метров аудио кабелей. Можно подсчитать, во сколько обойдутся, например, серебряные микрофонные кабели общей массой 100 кг…

Проводниками в любом электрическом кабеле или проводе являются металлы. В аудио кабелях используют в основном медь и серебро. В 1984 году фирма Hitachi выпустила межблочный кабель SAX-102, который сразу обратил на себя внимание профессионалов. Он был изготовлен из так называемой бескислородной меди OFC (Oxygen Free Copper). Теперь такую медь применяют почти все специализированные «кабельные» фирмы. Чем хороша бескислородная медь? Металл проводника можно рассматривать как последовательное соединение гранул металла. Внутри каждой гранулы кристаллическая структура сохраняет идеальность, но границы раздела между гранулами нарушают кристаллическую решетку. Как правило, причинами появления границ раздела является пленки окислов, соединений кислорода с металлами. За счет того, что OFC отливается и вытягивается определенным образом, длина идеальных гранул увеличивается. Обычная медь высокой степени чистоты содержит около 5000 гранул на метр кабеля. Улучшение технологии OFC привело к появлению более качественной бескислородной высокопроводящей меди OFHC (Oxygen Free High Conductivity), количество гранул на метр в которой составило 1000. Существуют и другие разновидности технологии получения проводов из бескислородной меди.

Похожие технологии применяют и к серебряным проводникам. Результат – появление длинногранулированного серебра с высокой степенью очистки, например, FPS (функционально превосходное серебро) от AudioQuest или PSS (Perfect Surface Silver – серебро с идеальной поверхностью). Это очень дорогие провода. Серебро часто используется как плакирующее покрытие медного провода, причем чтобы исключить потенциальное влияние неоднородностей на передачу сигнала, поверхность полируется до зеркального блеска.

В качестве изоляторов аудио проводов и кабелей в бытовой технике используются в основном полиэтилен, полихлорвинил и фторопласт (известный как тефлон). Для внешних покрытий кабелей используют искусственные каучуки, силиконовые резины, полипропилены и пр. Чаще всего используют полиэтилен, лучшими диэлектрическими характеристиками обладает фторопласт, но он относительно дорог, что сдерживает его применение. Иногда в качестве изолятора используют вспененный полиэтилен или фторопласт.

Поскольку аудио кабели соединяют усилитель с колонками и работают с довольно большими токами, разработчики в первую очередь обращают внимание на активное сопротивление проводника: чем оно меньше, тем лучше. Во-первых, потому что омическое сопротивление кабеля соединяется последовательно с выходным сопротивлением УНЧ и входным сопротивлением АС, и относительно высокоомный соединительный провод может резко ухудшить качество работы УНЧ и АС, а, во-вторых, по закону Джоуля-Ленца термический разогрев провода пропорционален второй степени протекающего через него тока. Уменьшения омического сопротивления проводящих линий добиваются увеличением их сечения. Поэтому аудио кабели довольно толстые. Акустические провода являются относительно низкочастотными (рабочий диапазон укладывается в 4-5 порядков: от единиц герц до сотни килогерц). И все же большинство разработчиков, добившись минимальной величины удельного сопротивления (0,001–0,05 Ом/м), стараются уменьшать индуктивность провода (типичная величина удельной индуктивности – 0,2–0,5 мкГн/м). Практически все провода, за исключением плоских ленточных, выполняются в виде жгутов, собранных из отдельных тонких жил. Самые простые представляют собой пару изолированных проводников («лапша»); такая конструкция встречается чаще всего ввиду ее наименьшей стоимости. Скрученные жилы постоянно меняют свое положение: одни уходят с поверхности внутрь, другие, наоборот, от центра выходят к поверхности. Поскольку распределение плотности тока по сечению проводника не меняется, чтобы оставаться вблизи поверхности кабеля, ток переходит через поверхность раздела от одной жилы к другой. Бывает, что контакт между отдельными жилами не всегда хорош (на поверхности каждой жилы есть слой окислов, плохо проводящих ток), и многочисленные переходы через барьеры сопротивления теоретически могут оказать влияние на передаваемый сигнал. Если разделать старый сетевой провод в резиновой изоляции, обращает на себя внимание темная пленка окислов. Такой провод без зачистки не паяется, омметр показывает довольно большое сопротивление…

Для уменьшения влияния скин-эффекта каждую тонкую жилу порой снабжают собственной изоляцией, однако такие кабели нетехнологичны, поскольку трудно автоматизировать процесс разделки жил такого кабеля.

Акустические кабели характеризуются большим разнообразием конструкций, отличающихся не только внутренним строением, но и внешними признаками: круглые в сечении, плоские, как тонкие ленты, одиночные, сдвоенные, счетверенные и т.д. Несмотря на высокую стоимость, плоские провода очень популярны в инсталляциях домашнего кинотеатра, поскольку они легко прячутся под обои, ковры и т.п. Пользуются спросом попарно сдвоенные провода, которые удобны для подключения акустики по схемам Bi-Wiring и Bi-Amping.

Разновидностью АС являются АС домашних кинотеатров, к которым предъявляются специфические требования. О них будет рассказано в отдельной брошюре.

Акустической системой называется громкоговоритель, предназначенный для использования в качестве функционального звена в бытовой радиоэлектронной аппаратуре. Под «громкоговорителем» понимается «устройство для эффективного излучения звука в окружающее пространство в воздушной среде, содержащее одну или несколько головок громкоговорителей, при наличии акустического оформления, электрических устройств (фильтры, трансформаторы, регуляторы и т.п.). В соответствии с определением Международного электротехнического словаря МЭК 50 (801) термин «громкоговоритель» может применяться как к «акустической системе», так и к одиночному громкоговорителю, который в отечественных стандартах называется «головкой громкоговорителя (ГГ)». Однако в технической литературе термин «громкоговоритель» обычно применяется к одиночным громкоговорителям, а многополосные системы, в зависимости от их назначения, называются «акустические системы», «звуковые колонки» и т.д.

Акустические системы, встроенные в корпус радиоэлектронной аппаратуры (телевизор, магнитофон, приемник), называются «встроенными»; акустические системы, конструктивно не связанные с используемой аппаратурой, называются «выносными». Акустические системы АС являются конечным звеном бытовых звуковоспроизводящих трактов, в значительной степени определяющим их качество звучания.

Значительный прогресс в развитии бытовой радиоэлектронной аппаратуры за последние годы обусловил рост объемов производства и увеличение числа моделей «выносных» и «встроенных» АС в отечественной и зарубежной промышленности.

Ниже будут рассмотрены основные элементы конструкции акустической системы. Принцип устройства многополосной выносной АС показан на рис. 1. Акустическая система состоит из следующих основных элементов:

1. излучателей 1, 2, 3 (низко-, средне-, высокочастотные ГГ), число которых в каждой из полос зависит от типа АС;
2. корпуса 4 ;
3. электронных устройств 5, 6 (фильтрующе-корректирующие цепи, электронные схемы защиты и т. д.);
4. регуляторов уровня 7 ;
5. входных клемм 8 .

Излучатели , используемые в подавляющем большинстве АС, представляют собой электродинамические головки громкоговорителей ГГ. В ряде АС применяются также электростатические, изодинамические и др. Такие АС в отечественной терминологии принято называть «АС с нетрадиционными излучателями».

В выносных АС, как правило, используется многополосный принцип построения, т.е. весь воспроизводимый диапазон частот подразделяется на несколько частотных поддиапазонов, каждый из которых воспроизводится своим ГГ, который в зависимости от этого называется низко-, средне- или высокочастотным. В зарубежной литературе встречаются названия subwoofer - «супернизкочастотный» и supertweeter - «супервысокочастотный» ГГ. Под этими названиями обычно понимаются ГГ, эффективно воспроизводящие частоты соответственно ниже 25 Гц или выше 20 кГц. В АС высшей категории обычно используется три или четыре частотных поддиапазона; в массовых АС часто применяют одно- или двухполосный принцип построения. Это связано с тем, что применение одного широкополосного громкоговорителя не позволяет обеспечить равномерность АЧХ акустической мощности в полном диапазоне частот и снизить уровень интермодуляционных искажений. Требования к ГГ, работающим в различных частотных диапазонах, существенно отличаются.

Низкочастотные ГГ должны обладать значительной мощностной н температурной устойчивостью (современные ГГ используются при мощности музыкальных сигналов 100-150 Вт, увеличение температуры при этом достигает 150-200 °С); обеспечивать линейность упругих характеристик при больших смещениях; низкие резонансные частоты; сохранение поршневого характера колебаний в возможно более широком диапазоне частот. Как правило, в качестве низкочастотных ГГ используются конусные электродинамические громкоговорители прямого излучения. Отечественной промышленностью выпускалась только одна модель АС , где в качестве низкочастотного используется электростатический излучатель.

К среднечастотным ГГ, используемым в АС, также предъявляются требования к мощностной и температурной устойчивости, обеспечению уровня линейных и нелинейных искажений, близких к субъективным порогам восприятия, которые в области средних частот достигают своих минимальных значений. В качестве среднечастотных используются как конусные, так и купольные электродинамические ГГ, кроме того, значительно шире применяются электростатические излучатели, изодинамические, излучатели Хейла.

Высокочастотные ГГ в современных АС должны обеспечивать воспроизведение высокоцастотной части диапазона до 20-30 кГц, увеличение динамического диапазона до 100-110 дБ и устойчивость к тепловым перегрузкам. В большинстве моделей применяются купольные электродинамические ГГ, однако за последние годы все больше используются нетрадиционные конструкции излучателей всех видов: пьезокерамические, электростатические, излучатели Хейла и др.

Корпус АС является основным конструктивным элементом, формирующим ее электроакустические характеристики в области низких частот за счет регулирования нагрузки на тыловую поверхность диффузора и использования или подавления излучения этой поверхности. Он оказывает существенное влияние на электроакустические параметры АС как в области низких частот (такие как амплитудно-частотная характеристика - АЧХ, фазочастотная - ФЧХ, характеристика направленности - ХН, коэффициент нелинейных искажений), так и в области средних и высоких частот за счет колебаний стенок корпуса на его внутреннего объема, а также за счет влияния формы корпуса на характер дифракционных эффектов.

Наиболее распространенными типами корпусов в современных АС являются закрытый корпус, фазоинверсного типа и корпус с пассивным излучателем (рис. 2). Существуют также и другие виды реже используемых корпусов: «свернутый рупор, «лабиринт», трансмиссионная линиям и т.д.

Закрытый корпус служит для подавления излучения тыловой поверхности диффузора ГГ.

Корпус фазоинверсного типа отличается наличия в нем отверстия или отверстия с трубкой, что увеличивает уровень звукового давления в определенной области низких частот благодаря излучению тыловой поверхности диффузора.

Довольно широко применяется корпус, в котором вместо отверстия или трубки используется пассивный излучатель, представляющий собой громкоговоритель с подвижной системой без магнитной цепи и звуковой катушки. Пассивный излучатель позволяет также увеличить уровень звукового давления за счет использования тылового излучения, особенно в области частоты резонанса системы, образуемой за счет массы подвижной системы излучателя, гибкости его подвеса и содержащегося в корпусе воздуха.

Варианты АС по низкочастотоному оформлению корпуса:

1. TQWP;
2. бандпасс (полосовой резонатор);

Конструктивные параметры корпуса АС, его конфигурация, соотношение размеров, расположение ребер и прочее определяются расчетным или экспериментальным путем исходя из требований к электроакустическим характеристикам АС.

Характеристики АС в области низких частот рассчитываются путем анализа существующих эквивалентных схем системы, полученных с помощью метода электромеханических аналогий. За последние годы разработан системный подход к анализу и синтезу параметров АС в области низких частот, базирующийся на аналогии между характеристиками АС в области низких частот и параметрами соответствующих электрических фильтров, что позволило применить хорошо разработанные методы расчетов характеристик фильтров к расчету параметров АС. Обобщенная эквивалентная схема АС с различными типами оформлений в области низких частот показана на рис. 3. Для построения эквивалентной схемы АС и ее последующей оптимизации используются такие электромеханические параметры низкочастотных громкоговорителей, как полная Q ts , электрическая Q es , механическая Q ms добротности, эквивалентный объем V as , частота основного резонанса f 0 , модуль полного электрического сопротивления │ z │ и др.

E g – напряжение источника сигнала;

R g – выходное сопротивление источника сигнала;

R E – активное сопротивление звуковой катушки;

B – плотность магнитного потока в зазоре магнитной системы;

S эф – эффективная площадь диффузора;

C AS – акустическая гибкость подвеса;

M ’ AS –акустическая масса подвижной системы;

R AS – акустическое сопротивление потерь в подвижной системе;

R AR 1 – активная составляющая сопротивления излучения фронтальной поврхности диффузора;

M A 1 – реактивная составляющая сопротивления излучения (масса воздуха, соколеблющаяся с фронтальной поверхностью диффузора громкоговорителя);

M B 1 – масса воздуха, соколеблющаяся в тыловой поверхности диффузора;

C AB – акустическая гибкость воздуха в корпусе АС;

R AB – акустическое сопротивление потерь в корпусе АС, обусловленных внутренним поглощением энергии;

R AL – акустическое сопротивление потерь, обусловленных утечками воздуха из щелей корпуса АС;

R AR 2 – активная составляющая сопротивления излучения отверстия фазоинвертора или диафрагмы пассивного излучателя;

M A 2 – реактивная составляющая сопротивления излучения отверстия фазоинвертора или диафрагмы пассивного излучателя;

M B 2 – масса воздуха, соколеблющаяся с тыловой поверхностью диафрагмы пассивного излучателя (если таковой присутствует);

M ’ AP – акустическая масса пассивного излучателя или воздуха в трубе фазоинвертора;

C AP – акустическая гибкость подвеса пассивного излучателя;

R AP – акустическое сопротивление потерь в подвесе пассивного излучателя или в трубе фазоинвертора;

l – длинна части звуковой катушки, находящаяся в зазоре магнитной системы.

В области средних и высоких частот существенное влияние на акустические характеристики АС оказывает внешняя конфигурация корпуса: его форма, наличие отражающих поверхностей, характер округления углов, степень демпфирования его передней и верхней стенки и т.д. за счет дифракционных эффектов. Экспериментальные исследования в корпусах различной формы показывают, что переход от гладких форм, например эллипсоидных или сферических, к формам с острыми углами приводит к значительному увеличению неравномерности АЧХ. Традиционно в большинстве АС используют прямоугольные корпуса, при этом для уменьшения отражений применяют демпфирование передней панели или верхней крышки, например за счет применения специальных накладок. Для высококачественной аппаратуры нередко делают корпуса обтекаемой формы; эллипсоиды, цилиндры, сферы и т.д., выделяя для средне- и высокочастотных ГГ отдельный блок. Эти меры позволяют снизить неравномерность АЧХ и улучшить субъективное восприятие звучания.

Существенное влияние на электроакустические характеристики АС оказывают колебания стенок корпуса, которые вносят значительный вклад в общий процесс звукоизлучения. Поскольку резонансные колебания стенок происходят на частотах негармонических по отношению к колебаниям диффузора, она придают особенно неприятную окраску звучанию. Анализ механизмов возникновения звукоизлучения из-за вибраций стенок корпуса показывает, что существуют два пути передачи звука: первый за счет возбуждения колебаний внутреннего объема воздуха в корпусе, вследствие излучения от тыльной поверхности диафрагмы и передача через него колебаний на стенки корпуса, и второй, за счет прямой передачи вибраций от диффузородержателя на переднюю стенку, а от нее – на боковые и заднюю. Анализ вклада обоих механизмов передачи показывает, что в области низких частот до 300-600 Гц существенное влияние на возбуждение стенок оказывают как колебания внутреннего объема корпуса, так и прямая передача вибраций через диффузородержатель. В области средних частот действует в основном второй путь. Для уменьшения этих явлений в процессе конструирования АС используют различные способы звуко- и виброизоляции и звуко- и вибропоглощения.

Для демпфирования внутренних акустических резонансов, корпуса АС заполняют тонковолокнистыми упругопористыми материалами (минеральная вата, синтетическое волокно, стекловолокно и др.). Лучшими из отечественных волокнистых звукопоглощающих материалов являются АТМ-1, АТМ-3, АТМ-7, АТИМС и др.

С целью уменьшения общего уровня звукоизлучения от стенок, применяются конструктивные меры по повышению жесткости и массы стенок. Известны конструкции АС с корпусами из кирпича, мрамора, пенобетона и др. Они обеспечивают высокий уровень звукоизоляции до 30 дБ, но слишком велики по весу. Обычно используют такие материалы, как ДСП, фанера или МДФ. Для АС категории Hi-Fi применяют эти материалы толщиной 13-20 мм, что обеспечивает неплохую звукоизоляцию и приемлемый вес корпуса.

Для борьбы с прямой передачей вибрации от диффузородержателя, применяют методы виброизоляции и вибропоглощения. Эффект виброизоляции достигается применением упругих амортизаторов при креплении диффузородержателя к передней стенке корпуса в виде резиновых прокладок, локальных опорных виброизоляторов для крепления винтов, амортизирующих прокладок для крепления передней панели к боковым, развязок держателя от передней панели за счет дополнительной опоры его на дно и т.д.

Снижение амплитуд вибраций стенок достигается использованием различных вибропоглощающих материалов, например жесткой пластмассы или мастики, наносимых на внутренние поверхности стенок, таких как Агат, ВМЛ-25, Антивибрит и др. Кроме того, применяют стяжки; распорки, например между двумя боковыми стенками, и ребра жесткости. Использование рёбер жесткости, особенно расположенных параллельно длинной стороне или по диагонали стенки, существенно повышает резонансные частоты, облегчая тем самым их демпфирование. Таким образом, корпуса акустических систем, особенно для АС категории Hi-Fi, обладают довольно сложной конструкцией за счет применения всех указанных мер, однако затраты на производство таких конструкций оправдываются улучшением объективных характеристик и качества звучания акустических систем.

Электронные устройства АС включают в себя, прежде всего, электрические разделительные фильтры. Практически все современные АС являются многополосными по причинам, указанным выше, поэтому распределение энергии звукового сигнала между ГГ является основной задачей фильтров. Развитие техники проектирования АС заставило изменить функции фильтров и методы их проектирования. Разделительные фильтры выполняют теперь одновременно задачи фильтрации и коррекции. В подавляющем большинстве современных выпускаемых АС используются так называемые «пассивные» фильтры, которые включаются после усилителя мощности. Однако в ряде моделей АС применяются и «активные» разделительные фильтры. В этом случае в каждом частотном канале используется свой усилитель мощности, включенный после фильтров. По сравнению с пассивными активные фильтры имеют ряд преимуществ: лучшую перестраиваемость в процессе настройки, отсутствие потерь мощности, меньшие габариты и т.д., однако они проигрывают по таким параметрам, как динамический диапазон, шумы, нелинейные искажения, требуют применения отдельных усилителей в каждом канале, что экономически невыгодно. В промышленности СССР выпускалась только одна модель активной АС – .

В процессе развития техники проектирования АС использовались пассивные фильтры различных типов. К настоящему времени наибольшее распространение получили фильтры «всепропускающего типа», которые удовлетворяют одновременно многим требованиям: обеспечивают плоскую суммарную АЧХ по напряжению, симметричные характеристики направленности АС в области частот разделения, низкую чувствительность к изменению значения элементов. Поскольку передаточные функции по напряжению таких фильтров представляются в виде полиномов Баттерворта степени n [точнее, при n -нечетном описываются полиномом Баттерворта В n , а при n -четном — (В n) 2 ], их называют фильтрами Баттерворта различного порядка. Выбор порядка фильтров определяется степенью сложности предъявляемых к АС требований. Обычно в АС используются фильтры второго-четвертого порядков. При оптимизации разделительных фильтров с использованием компьютера, разработчик задается схемой фильтров и начальными значениями элементов. Затем путем целенаправленного изменения значений элементов схемы на ПК, минимизируется разница между требуемыми электроакустическими характеристиками и действительными. Использование методов оптимального синтеза фильтрующе-корректирующих цепей позволило в современных конструкциях АС добиться значительного уменьшения неравномерности АЧХ, снижения уровня фазовых искажений, симметризации характеристик направленности и т.д.

К электронным устройствам в АС относятся также различные фильтры-корректоры, которые используются для коррекции характеристик АС в области низких частот, в частности, электронная коррекция реализуется в АС с электромеханической обратной связью (ЭМОС) применением амплитудных линейных и нелинейных корректоров, специальных усилителей мощности со сложным комплексным характером выходного сопротивления, согласованным с параметрами низкочастотных ГГ. Электромеханическая обратная связь используется в системе .

В связи со значительным возрастанием мощности подводимых к АС музыкальных сигналов, часто применяются электронные устройства для защиты ГГ от механических и тепловых перегрузок.

3ащита как от длительных, так и от кратковременных перегрузок достигается применением различных вариантов пороговых схем. Пороговые схемы обычно нагружаются на ключевые цепи, включающие питание реле, коммутирующих головки ГГ. Для защиты от кратковременных перегрузок применяются релейные устройства с порогами срабатывания существенно меньшими, чем тепловые постоянные головок Т пор =10-20 мс.

Во многих АС используются различные – варианты индикации перегрузок, например на светодиодах, включающихся в момент срабатывания реле. Подобные схемы применены в отечественной системе .

В ряде АС используются схемы, предназначенные для коррекции формы АЧХ в различных поддиапазонах (НЧ, СЧ, ВЧ), называемые регуляторами тембра. Как правило, они реализуются в виде пассивных Г-образных или дискретных аттенюаторов, позволяющих изменять уровень сигнала.

Клеммы в АС высшего класса обычно применяются типа пружинного типа специальной конструкции.